211service.com
Selvdrevne siliciumlaserchips
En computerforsker ved UCLA har forvandlet en strømkrævende komponent af en siliciumlaser til en energigenerator – hvilket kunne hjælpe ingeniører, der forsøger at inkorporere hurtigere optiske elementer i kommercielle processorer.
Bahram Jalali, en elektroingeniørprofessor ved UCLA, har demonstreret en måde at reducere energibehovet i siliciumlaserchips, hvilket kunne gøre dem mere kommercielt gennemførlige til optiske computerapplikationer. (Med tilladelse fra UCLAs Henry Samueli School of Engineering and Applied Science.)
Ikke kun dumper vi ikke energi ind, vi genvinder den faktisk, siger Bahram Jalali , professor i elektroteknik ved UCLAs Henry Samueli School of Engineering and Applied Science Det lyder for godt til at være sandt, men det er sandt.
Efterhånden som computerchipproducenter pakker flere og flere transistorer på en siliciumchip, løber de ind i en grundlæggende grænse: hvor meget data de kan skubbe ud af chippen eller fra et bundkort til et andet via kobberledninger. Efterhånden som de øger kraften og mængden af data, opbygges elektrisk modstand – indtil ledningerne når deres hastighedsgrænse.
Teleselskaber overvandt dette problem for år siden, da de erstattede kobbertråde med lysstråler, der blev ført gennem glasfibre i langdistancekommunikation. Nu bygger chipproducenter som Intel bittesmå udgaver af disse hurtigere systemer ved at drage fordel over meget kortere afstande af lysbølgernes større bæreevne, som er upåvirket af elektrisk modstand.
For to år siden fik Jalali et gennembrud, da han lavede en laser af silicium. De fleste lasere er lavet af andre materialer; på grund af dets fysik udsender silicium ikke let lys. Men at generere optiske signaler ville være billigere og nemmere, hvis lasere kunne fremstilles af silicium, hvis egenskaber allerede er godt forstået af halvlederindustrien. Så, sidste år, fulgte Intel op på Jalalis arbejde med en bedre version af en siliciumlaser samt en modulator til at indkode signaler på lysstrålen - og feltet for siliciumfotonik blev født (se Intels gennembrud, juli 2005).
Men der var et problem. For at få lasereffekten brugte både Jalali og Intel en ekstern laser og fyrede den ind i siliciumet, hvor lysstrålens energi interagerede med materialet for at producere nyt lys. At ramme siliciumet med laserlys med høj intensitet får siliciumet til at generere uønskede elektroner, som igen kan absorbere de fotoner, der produceres, og underminere lasereffekten. Materialet bliver som en svamp, der suger lyset til sig, siger Jalali.
Intel løste problemet ved at tilslutte en elektrisk diode og køre en strøm over chippen for i det væsentlige at støvsuge elektronerne. Men det krævede omkring en watt elektrisk strøm - nok til at køre en million transistorer på chippen. Strømmen, der løber gennem chippen, producerede også spildvarme, der kunne få chippen til at holde op med at fungere.
Jalali spekulerede på, hvad der ville ske, hvis han vendte spændingsforspændingen af strømmen fra dioden, hvilket ville vende det elektriske felt i siliciumet. Resultatet: den omvendte bias fejede stadig de omstrejfende elektroner ud, men den gjorde det uden at forbruge den watt strøm.
På nogenlunde samme måde, som en solcelle genererer elektricitet, når den rammes af fotoner i sollys, frigives de ekstra elektroner i siliciumlasere, når to fotoner fra laseren kombineres i siliciumet. Jalalis enhed samler de frie elektroner op og bruger dem til at køre transistorer på chippen. Omkring to tredjedele af den optiske effekt, der gik tabt ved at generere elektroner, kan genvindes og tages i brug, siger Jalali. I stedet for at bruge en watt strøm i elektronoprensningen og generere ekstra varme, producerer hans metode flere milliwatt strøm.
Jalali, hvis arbejde er finansieret under et Defense Advanced Research Projects Agency-program til fremme af siliciumfotonik, annoncerede sine resultater på en konference i Canada i sidste uge. Han siger, at for at være praktisk skal elektronhøstudstyret krympes til en tiendedel af dets nuværende størrelse, hvilket han forventer kan tage omkring tre år.
Mario Paniccia, direktør for Intel's Fotonik teknologilaboratorium , siger Jalalis arbejde viser, at siliciumfotonik er på vej til at blive praktisk. Det er i den rigtige retning...Hvordan nøjagtigt du ville bruge [den genererende effekt] og anvende den, skal stadig optimeres, siger han. Det er ikke noget, du tror ville ske, men når du først ser det, giver det mening.
Intel arbejder på et program til at udvikle flere nøglekomponenter i et siliciumfotoniksystem, herunder ikke kun lyskilderne, men også modulatorer til at tilføje et signal, optiske forstærkere til at booste det, fotodetektorer og bølgeledere med lavt tab. Paniccia forventer, at laboratoriearbejdet kan omsættes til produkter fra den virkelige verden i 2010, startende med kommunikation mellem stativer af computere, derefter langs en computers bagplan (kredsløbskortet, der tillader andre kort, såsom lydkort, at blive tilsluttet) og til sidst fra en chip til en anden.
Jalalis tilgang er dog ikke en kur. Ved meget høje optiske intensiteter bliver antallet af omstrejfende elektroner så højt, at den omvendte bias ikke er nok til at fjerne dem alle uden at bruge mere strøm. Og til nogle applikationer ville chipdesignere foretrække en laser, der sidder på chippen og kører på elektricitet, i stedet for at blive pumpet af lys fra en anden laser, som de nuværende siliciumlaserchips kræver. Men i mange tilfælde, siger Jalali, er den eksterne laserkilde en fordel, fordi den skærer ned på strømforbruget på chippen.
Paniccia sammenligner udviklingen af siliciumfotonik med skabelsen af transistoren. Vakuum-rør-baserede computere plejede at fylde hele rum, indtil transistorer krympede dem, og det integrerede kredsløb førte til sidst til enormt kraftfulde computere, der kunne bæres i skuldertasker. Ligeledes forestiller han sig, at siliciumfotonik en dag krymper routerne og andet udstyr, der fylder et skifterum til chipstørrelse. Siger Paniccia: Det vil gøre det muligt for optikken, og fordelene ved optikken, at gå steder, de ikke kunne gå før.