Intels gennembrud

Moores lov, som fejrede sit 40 års jubilæum i foråret, har været halvlederindustriens største velsignelse. I 1965 forventede Intels medstifter Gordon Moore, at antallet af transistorer på en computerchip ville fordobles hvert andet år. På det tidspunkt holdt en chip kun et par dusin transistorer. I dag indeholder Intels avancerede chip mere end 1,7 milliarder transistorer, og det tal forventes at overstige 10 milliarder i 2012. Denne konstante march på fire årtier har givet næring til den moderne computerrevolution og gjort Intel til et teknologisk kraftcenter.

Men evnen til at pakke flere og flere transistorer og andre kredsløb på chips forværrer et væld af problemer, der, hvis de bliver alvorlige nok, kan true væksten af ​​den eksisterende siliciumbaserede digitale økonomi. Blot nogle få af problemområderne: varmeopbygning, elektriske strømme, der siver ud af kredsløb, elektrisk krydstale mellem tilstødende ledninger. De nyeste CPU'er til stationære computere bruger for eksempel 100 watt strøm. Bærbare CPU'er er generelt mere effektive, da de er beregnet til at maksimere batterilevetiden. Men selv de bruger nu hele 75 watt. Det er som at lægge en brødrister på skødet, siger Pat Gelsinger, en senior vicepræsident fra Intel. En løsning, der forventes at blive udbredt, er at øge antallet af transistorer på en chip, ikke ved at gøre dem mindre, men blot ved at stikke det samme kredsløbsmønster ned to eller flere gange på den samme siliciumplade. Intel frigav sine første sådanne dual core-chips i foråret. Og Intels ledere forestiller sig en fremtid med mange kernechips med op til tusind processorer side om side.

Men der er en gnidning. Kobbertrådene, der formidler strømmen af ​​digital en s og 0 s ind og ud af en computer, og mellem processorer i nogle computere, kan kun transportere så meget data så hurtigt. Hvis jeg fordobler ydeevnen [af en processor], er jeg nødt til at fordoble ydeevnen til og fra chippen, siger Gelsinger. Kobber, vores traditionelle sammenkoblingsteknologi, er ved at løbe tør for hastighed.

Problemet er, at elektriske impulser, der bevæger sig gennem en kobbertråd, støder på elektrisk modstand, som forringer den information, de bærer. Som følge heraf skal databits, der bevæger sig gennem kobber, være placeret langt nok fra hinanden og bevæge sig langsomt nok til, at enheder i den anden ende af ledningen kan opfange dem. Denne begrænsning producerer allerede datatrafikpropper på lokale netværk, der bruger kobberledninger til at forbinde computere. Og mange eksperter forudser, at det vil skabe flaskehalse for datatrafik mellem flere processorer inden for individuelle computere. Resultatet er, at selvom Moores lov fortsætter med at holde, vil computere ikke længere være i stand til at drage fordel af den øgede kraft, den leverer, da de ikke vil være i stand til at flytte data til og fra chips hurtigt nok til at holde trit med processorerne . Det er en grundlæggende udfordring: computere skal finde en hurtigere måde at flytte en enorm mængde data på både inden for og mellem chips.

Indtast siliciumlaseren. Optiske forbindelser kan bære tusindvis af gange mere data i sekundet, end kobbertråde kan. Men eksisterende optiske komponenter, som er lavet af eksotiske halvledere som galliumarsenid og indiumphosphid, er alt for dyre til brug i individuelle computere eller endda lokale netværk. Hvis man kunne lave optiske enheder af silicium, som er billigt og, i det mindste for en virksomhed som Intel, nemt at fremstille, ville det ændre alt. Skiftet til siliciumoptik ville tilføje en grundlæggende ny evne til siliciumchips: evnen til at manipulere og reagere på lys. Virksomheder vil sandsynligvis først udnytte denne evne ved at erstatte kobberforbindelser med optiske forbindelser i netværk. Men i sidste ende kan siliciumfotonik også erstatte kobbertråde mellem processorer inden for en enkelt chip. Chipdesignere forestillede sig også at bruge siliciumoptik i de interne ure, som mikroprocessorer bruger til at udføre instruktioner, hvilket dramatisk øger clockhastigheder - og dermed beregningshastigheder.

Indtil for nylig var al den spekulation om potentialet af siliciumoptik hypotetisk: egnede siliciumlasere eksisterede ikke. Men tingene ændrede sig sidste vinter, da Intel-forskeren Mario Paniccias laboratorium rapporterede om den første kontinuerlige siliciumlaser. Bygget ved hjælp af de samme fremstillingsmetoder, som producerer siliciumchips, viste den eksperimentelle enhed en konstant strøm af infrarøde fotoner, en præstation, som mange forskere havde troet umulig i silicium.

Det er stadig tidlige dage for siliciumfotonik. Men Intel-resultatet, som byggede på resultater rapporteret over det seneste år i en byge af papirer, der beskriver fremskridt inden for siliciumbaserede optiske komponenter, overbeviser mange eksperter om, at det kunne blive praktisk at forbinde optisk og elektronisk teknologi tæt på computerniveau. De fremskridt, som Paniccias team har gjort, har været bemærkelsesværdige, siger Graham Reed, en silicium-fotonik-pioner ved University of Surrey i England. Nu begynder alle skeptikerne at tro, at silicium vil have en reel indflydelse på optikken.

Forventede fremskridt inden for siliciumteknologi vil næsten helt sikkert holde Moores lov i gang i en overskuelig fremtid og skabe stadig hurtigere computere. Ved at fremskynde enorme mængder data ind og ud af chips og mellem maskiner, kunne siliciumfotonik hjælpe folk med at få adgang til denne enorme beregningskraft.

Elendig udsender
Optiske fibre udgør rygraden i langdistance-telekommunikationsnetværk og er i høj grad ansvarlige for internettets hastighed. Men optiske komponenter er ikke billige. Optisk afsendelse og modtagelse af data kræver en laser, der skaber en lysstråle; en modulator, der hugger den stråle i on/off bursts, der repræsenterer digital en s og 0 s; bølgeledere, der leder lyset gennem chips; og fotodetektorer, der fanger lyset og konverterer det tilbage til et elektronisk signal. I øjeblikket er disse enheder ikke lavet af silicium og koster tusindvis af dollars at sætte på plads. Teleudbydere har råd til disse priser, men at gøre teknologien mulig til at flytte data inden for en computer betyder at reducere priserne i størrelsesordener.

Silicium kan være svaret. Silicium for os er det måske ikke en religiøs oplevelse, men det er ret tæt på, siger Gelsinger. Silicium har vist sig omkostningseffektivt, skalerbart, holdbart, kan fremstilles og har alle mulige andre vidunderlige egenskaber. Fotoniske dele lavet af silicium ville gøre optik mere overkommelig og udvide potentielle anvendelser. I dag er optik en nicheteknologi. I morgen er det mainstream af hver chip, vi bygger, siger Gelsinger.

Indtil for omkring et år siden så det ud til, at silicium aldrig ville spille en væsentlig rolle i optikken. Silicium er ikke i sig selv det bedste optiske materiale, forklarer Reed. Blandt dets mest åbenlyse mangler er, at det er en elendig lysudsender. Når elektronerne i silicium exciteres, får de i stedet for at frigive fotoner siliciumets krystalgitter til at vibrere. Resultatet er varme, ikke lys. Derimod udsender halvledere som galliumarsenid og indiumphosphid lys, når de exciteres elektrisk. Så selvom forskere har været fascineret af udsigterne for en optisk chip i årevis, var konsensus, at silicium ikke var det rigtige materiale at bygge den med.

Så, i slutningen af ​​1990'erne, rapporterede forskere en række opmuntrende, om end foreløbige, fremskridt inden for siliciumoptik (se Upstream, Technology Review, juni 2001 ). Hos Intel overbeviste de fremskridt, Paniccias team gjorde, ledere til at øge virksomhedens silicium-fotonik-program. Intels første gennembrud kom i februar 2004, da Paniccia rapporterede i bladet Natur at hans gruppe havde lavet en siliciummodulator, der var i stand til at konvertere en konstant strøm af lys fra en laser til hurtige pulser af digitale 1'ere og 0'ere med en hastighed på en milliard hertz eller en gigahertz, en 50-fold fremgang i forhold til den tidligere eksperimentelt demonstrerede rekord til silicium. Men det var stadig ikke i nærheden af ​​hurtigt nok, siger Reed. Så i foråret rapporterede Intel-forskere ledet af materialeforsker Ling Liao en siliciummodulator, der kører ved 10 gigahertz, nogenlunde på niveau med andre optiske modulatorer.

Men den afgørende silicium-fotoniske komponent var stadig laseren. Sidste september rapporterede fire separate grupper, inklusive Paniccias, siliciumlasere, der affyrer staccato-lyspulser. Fordi silicium gør et dårligt stykke arbejde med at omdanne elektriske ladninger til lys, var alle disse siliciumlasere afhængige af eksterne lasere som energikilder. Som alle chip-baserede lasere fungerer siliciumlaserne ved at omdanne energi - i dette tilfælde fotoner fra en anden lyskilde - til et udbrud af fotoner med stort set samme bølgelængde og fase. Intel-forskerne udnyttede et længe kendt princip kaldet Raman-effekten, hvor fotoner får energi fra kollisioner med vibrerende atomer.

Pulserende lasere er dog ikke gode til at overføre data. Optikingeniører foretrækker meget kontinuerlige lasere, som de kan skære og skære med modulatorer for at skabe datasignaler. Men alle grupperne kæmpede med det samme problem. Efterhånden som de øgede mængden af ​​kontinuerligt laserlys, de tilførte siliciumchipsene, øgedes sandsynligheden for, at par af indkommende fotoner ville ramme et enkelt siliciumatom på samme tid. Da det skete, sparkede siliciumatomerne elektroner ud af deres atomare baner, og de mobile ladninger opslugte glubsk fotoner. Den indkommende laser skulle pulseres for at give elektronerne de milliontedele sekunder, de havde brug for for at opgive deres overskydende energi og slappe af tilbage til deres hviletilstand.

Paniccias team kom med et svar, der var både genialt og, for dem, der er bekendt med siliciumteknologi, konceptuelt enkelt. Ætset ind i Intel-laserchippen var en siliciumbølgelederkanal, hvor lyset hoppede frem og tilbage og tog til i intensitet. Forskerne implanterede elektroder på begge sider af kanalen. Da de tændte for en spænding mellem elektroderne, skabte det et elektrisk felt, der førte de negativt ladede elektroner mod den positivt ladede elektrode og fejede dem effektivt af vejen. Som et resultat var fotonerne i stand til at opbygge uhindret, indtil de producerede en kontinuerlig laserstråle.

Sidste vinter, tre dage før jul, så Paniccias kolleger Haisheng Rong og Richard Jones det første tegn på, at strategien virkede: en streg på displayet af en optisk spektrumanalysator, der viser, at de infrarøde fotoner, som laseren producerer, kom ud i en Lind strøm.

På indersiden
Intel-forskere mangler stadig at finde måder at fremstille siliciumlasere sammen med elektroniske komponenter på chips. Elektroniske kredsløb er bygget gennem den møjsommelige proces med at lægge og ætse snesevis af lag af materialer. Nogle af disse trin kræver temperaturer langt over 1.000 °C eller udsættelse for ætsende kemikalier. Så Intels ingeniører bliver nødt til at sikre, at de nødvendige trin for at opbygge de optiske enheder ikke forringer det elektroniske kredsløb, og omvendt.

Som en indledende demonstration af anvendeligheden af ​​siliciumfotonik planlægger Paniccia senere i år at integrere flere modulatorer og andre optiske komponenter på et stykke silicium; denne opsætning skulle muliggøre dataoverførselshastigheder på 100 gigabit pr. sekund. En sådan prototype, håber Paniccia, vil illustrere potentialet ved siliciumfotonik til at transportere data ind og ud af chips langt mere effektivt end noget andet på markedet i øjeblikket.

Da han gik gennem et af sine nyrenoverede laboratorier i foråret, viste Paniccia en mock-up af et optisk Ethernet-kabel, der ville bruge siliciumfotonik. Mens Paniccia normalt opretholder en videnskabsmands beskedne, omhyggelige opførsel, er det klart, at han nyder at bruge rekvisitten til at sælge sin vision om siliciums nye rolle. På enden af ​​det tynde spaghetti-kabel sidder et stik, der ligner enden af ​​en telefonledning, med metalpuder, der sidder under bittesmå slidser i en siliciumindkapsling. I en funktionel version af kablet ville elektriske signaler rejse fra en computerchip gennem disse metalpuder til en fotonisk siliciumchip inde i det lille stik, hvor de ville blive omdannet til en strøm af lysimpulser.

Mens kablet på ydersiden ligner velkendt teknologi, ville tilføjelse af billig siliciumfotonik til det bringe en hidtil uset hastighed og kraft til computere. Og det ville give Intel mulighed for at tilføje sit berømte Intel-logo inden for branding til endnu en transformerende teknologi. At realisere den vision vil ikke være let. Alligevel er Paniccia overbevist om, at det vil ske. Der er ikke længere nogen tvivl om, hvorvidt vi kan gøre dette. Det er hvornår og hvordan. Det har været ændringen i det sidste år. Og når den sidste tekniske barriere falder, siger han, vil siliciumfotonik være overalt.

Robert Service er en Portland, OR-baseret forfatter, der dækker kemi og materialevidenskab for Videnskab.

skjule