MIT News: новые материалы добавят оптическую связь в кремниевые процессоры

Большой скачок в производительности компьютеров за прошедшие десятилетия был достигнут благодаря уменьшению техпроцесса расположения транзисторов на микрочипах. Однако подобный подход сжимания приводит к таким эффектам, как утечка сигнала между компонентами из-за их плотного расположения. Это может значительно замедлить передачу сигнала между отдельными частями процессора.

Interconnect bottleneck

Подобная задержка сигнала называется «узкое место передачи сигнала» (interconnect bottleneck) и становится всё более серьёзной проблемой в высокоскоростных вычислительных системах.

Одним из способов решения данной проблемы соединения является использование света, а не проводников для связи между различными частями микрочипа. Но подобное предложение трудно выполнимо на практике. Всё объясняется природой кремния, который не имеет способности к излучению света.

Решение от MIT

Однако, учёные из MIT представили новый подход к конструкции кремниевых чипов. В своей статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology, они описали светоизлучатель и детектор, которые могут быть интегрированы в кремниевые CMOS-чипы.

Устройство сконструировано из полупроводникового материала, называемого дителлуридом молибдена. Этот ультратонкий полупроводник относится к группе материалов, известных как двумерные дихалькогениды переходных металлов. В отличие от обычных полупроводников, материал может быть помещён поверх кремниевых пластин процессора.

Пабло Джарилло-Херреро, один из авторов статьи, говорит:

Исследователи пытались найти совместимые с кремнием материалы, чтобы добавить функции оптоэлектроники и оптической связи в кристалл микропроцессора, но до сегодняшнего дня данная затея казалась очень сложной. Например, арсенид галлия очень хорош для оптики, но его нельзя выращивать на кремнии, так как эти два полупроводника несовместимы. Но дителлурид молибдена может быть помещён практически на любой материал.

Другой трудностью, с которой сталикивались учёные, господин Джарилло-Херреро назвал следующее. Многие материалы излучают свет в видимом диапазоне, но он на этих длинах волн просто поглощается кремнием. Дителлурид молибдена излучает свет в инфракрасном диапазоне, который не поглощается кремнием, что означает возможность его применения для связи внутри кристалла.

Детали проекта

Чтобы использовать материал в качестве светоизлучателя, сначала исследователи должны были преобразовать его в диод P-N, устройство, в котором одна сторона заряжается положительно — сторона P, а другая сторона N — отрицательно. В обычных полупроводниках это делается путем введения химических примесей в материал. Однако с новым классом материалов подобное можно сделать, просто подав необходимое напряжение на металлические электроды, расположенные поверх материала.

Как только диод готов, мы проводим ток через устройство, заставляя его излучать свет. Таким образом, используя диоды из дителлурида молибдена, мы можем изготовить LED-светодиоды, совместимые с кремниевыми чипами.

Устройство также можно переключить на работу в качестве фотоприёмника, изменив полярность напряжения, приложенного к устройству. Таким образом, оно способно одновременно передавать и принимать оптические сигналы.

Решения для реального мира

По словам Джарилло-Херреро, большинство телекоммуникационных систем работают с длинами волн 1,3 или 1,5 микрометра. Дителлурид молибдена излучает свет всего лишь в диапазоне 1,1 микрометра. Это делает его пригодным для использования в кремниевых чипах компьютеров, но непригодным для телекоммуникационных систем.

Поэтому для решения возникшего недостатка нового элемента исследователи изучают другой ультратонкий материал, называемый «чёрный фосфор», который может быть настроен на излучение света на разных длинах волн путём изменения количества используемых слоев.

Надеемся, что если мы научимся передавать информацию через оптические сигналы вместо электронных, мы сможем делать это значительно быстрее, при этом потребляя меньшее количество энергии.