Een nieuwe microchiptechnologie die in staat is om gegevens optisch over te dragen, zou een ernstig knelpunt in de huidige apparaten kunnen oplossen door de gegevensoverdracht te versnellen en het energieverbruik met orden van grootte te verminderen. volgens een artikel gepubliceerd in de 19 april, 2018 uitgave van Natuur .

Onderzoekers van de Universiteit van Boston, Massachusetts Institute of Technology, de University of California Berkeley en University of Colorado Boulder hebben een methode ontwikkeld om siliciumchips te fabriceren die met licht kunnen communiceren en niet duurder zijn dan de huidige chiptechnologie. Het resultaat is het hoogtepunt van een meerjarig project gefinancierd door het Defense Advanced Research Project Agency dat een nauwe samenwerking was tussen teams onder leiding van universitair hoofddocent Vladimir Stojanovic van UC Berkeley, Professor Rajeev Ram van MIT, en assistent-professor Milos Popovic van de Boston University en voorheen CU Boulder. Ze werkten samen met een onderzoeksteam voor de productie van halfgeleiders aan de Colleges of Nanoscale Science and Engineering (CNSE) van de State University van New York in Albany.

Door het knelpunt in de elektrische signalering tussen de huidige micro-elektronische chips is lichte communicatie een van de weinige overgebleven opties voor verdere technologische vooruitgang. De traditionele methode van gegevensoverdracht - elektrische draden - heeft een limiet aan hoe snel en hoe ver gegevens kunnen worden overgedragen. Het gebruikt ook veel stroom en genereert warmte. Met de niet-aflatende vraag naar hogere prestaties en lager vermogen in de elektronica, deze grenzen zijn bereikt. Maar met deze nieuwe ontwikkeling dat knelpunt kan worden opgelost.

"In plaats van een enkele draad met 10 tot 100 gigabit per seconde, je kunt een enkele optische vezel hebben die 10 tot 20 terabit per seconde vervoert - dus ongeveer duizend keer meer in dezelfde voetafdruk, ', zegt Popovic.

"Als je een draad vervangt door een optische vezel, er zijn twee manieren om te winnen, "zegt hij. "Eerst, met licht, u kunt gegevens op veel hogere frequenties verzenden zonder noemenswaardig energieverlies zoals bij koperen bedrading. Tweede, met optica, je kunt veel verschillende kleuren licht in één vezel gebruiken en elke vezel kan een datakanaal dragen. De vezels kunnen ook dichter op elkaar worden gepakt dan koperdraden zonder overspraak."

Vroeger, vooruitgang bij het integreren van een fotonische mogelijkheid op ultramoderne chips die in computers en smartphones worden gebruikt, werd belemmerd door een wegversperring in de productie. Moderne processors worden mogelijk gemaakt door hoogontwikkelde industriële productieprocessen voor halfgeleiders die in staat zijn om een ​​miljard transistors uit te roeien die samenwerken op één chip. Maar deze productieprocessen zijn nauwkeurig afgestemd en het bleek moeilijk om een ​​benadering te ontwerpen om optische apparaten op chips op te nemen en de huidige elektrische mogelijkheden intact te houden.

Het eerste grote succes bij het overwinnen van deze wegversperring was in 2015 toen dezelfde groep onderzoekers een ander artikel publiceerde in Natuur dat loste dit probleem op, maar deed dat in een beperkte commercieel relevante setting. De paper demonstreerde 's werelds eerste microprocessor met fotonische gegevensoverdracht en de benadering om deze te produceren zonder het oorspronkelijke productieproces te veranderen - een concept dat de onderzoekers een zero-change technologie hebben genoemd. Ayar Labs, Inc., een startup die Ram, Popovic en Stojanovic zijn medeoprichter van is onlangs een samenwerking aangegaan met de grote fabrikant van de halfgeleiderindustrie GlobalFoundries om deze technologie te commercialiseren.

Echter, deze eerdere benadering was van toepassing op een klein deel van de ultramoderne micro-elektronische chips die niet de meest voorkomende soort bevatten, die een uitgangsmateriaal gebruiken dat bulksilicium wordt genoemd.

In de nieuwe krant de onderzoekers presenteren een productieoplossing die toepasbaar is op zelfs de meest commercieel wijdverbreide chips op basis van bulksilicium, door een reeks nieuwe materiaallagen te introduceren in het fotonische verwerkingsgedeelte van de siliciumchip. Ze tonen aan dat deze verandering optische communicatie mogelijk maakt zonder negatieve gevolgen voor de elektronica. Door samen te werken met ultramoderne halfgeleiderproductieonderzoekers bij CNSE Albany om deze oplossing te ontwikkelen, de wetenschappers zorgden ervoor dat elk ontwikkeld proces naadloos kon worden ingevoegd in de huidige productie op industrieniveau.

"Door de eigenschappen van de extra materiaallagen voor fotonische apparaten zorgvuldig te onderzoeken en te optimaliseren, we zijn erin geslaagd om state-of-the-art prestaties op systeemniveau te demonstreren in termen van bandbreedtedichtheid en energieverbruik, terwijl we uitgingen van een veel goedkoper proces in vergelijking met concurrerende technologieën, " zegt Fabio Pavanello, een voormalig postdoctoraal medewerker van de onderzoeksgroep van Popovic, die samen met Amir Atabaki, co-eerste auteur van het artikel is, een onderzoekswetenschapper aan het MIT, en Sajjad Moazeni, een afgestudeerde student aan UC Berkeley. "Het vergde een jarenlange samenwerking tussen onze drie groepen in verschillende disciplines om dit resultaat te bereiken, ", voegt Atabaki eraan toe.

Het nieuwe platform, die fotonica naar ultramoderne bulk silicium micro-elektronische chips brengt, belooft snellere en energiezuinigere communicatie die computers en mobiele apparaten enorm zou kunnen verbeteren. Toepassingen die verder gaan dan traditionele datacommunicatie, zijn onder meer het versnellen van de training van diepgaande kunstmatige neurale netwerken die worden gebruikt bij beeld- en spraakherkenningstaken, en goedkope infrarood LIDAR-sensoren voor zelfrijdende auto's, smartphone-gezichtsherkenning en augmented reality-technologie. In aanvulling, optisch geactiveerde microchips kunnen nieuwe soorten gegevensbeveiliging en hardware-authenticatie mogelijk maken, krachtigere chips voor mobiele apparaten die werken op 5e generatie (5G) draadloze netwerken, en componenten voor kwantuminformatieverwerking en -verwerking.

"Voor de meest geavanceerde huidige state-of-the-art en toekomstige productietechnologieën voor halfgeleiders met elektronische transistorafmetingen van minder dan 20nm, er is geen andere manier om fotonica te integreren dan deze benadering.", concludeerde Vladimir Stojanovic, wiens team een ​​deel van het werk leidde, "Alle materiaallagen die worden gebruikt om transistors te vormen, worden te dun om fotonica te ondersteunen, dus de extra lagen zijn nodig."