Intels genombrott

Moores lag, som firade sitt 40-årsjubileum i våras, har varit halvledarindustrins största välsignelse. 1965 beräknade Intels medgrundare Gordon Moore att antalet transistorer på ett datorchip skulle fördubblas vartannat år. På den tiden rymde ett chip bara några dussin transistorer. Idag innehåller Intels avancerade chip mer än 1,7 miljarder transistorer, och den siffran förväntas överstiga 10 miljarder år 2012. Denna stadiga marsch på fyra decennier har underblåst den moderna datorrevolutionen och gjort Intel till ett tekniskt kraftpaket.

Men förmågan att packa fler och fler transistorer och andra kretsar på chips förvärrar en mängd problem som kan, om de blir tillräckligt allvarliga, hota tillväxten av den befintliga kiselbaserade digitala ekonomin. Bara några av problemområdena: värmeuppbyggnad, elektriska strömmar som läcker ut ur kretsar, elektrisk överhörning mellan angränsande ledningar. De senaste CPU:erna för stationära datorer, till exempel, förbrukar 100 watt ström. Bärbara processorer är generellt sett mer effektiva, eftersom de är avsedda att maximera batteritiden. Men även de förbrukar nu så mycket som 75 watt. Det är som att sätta en brödrost i knät, säger Pat Gelsinger, senior vicepresident vid Intel. En åtgärd som förväntas bli utbredd är att öka antalet transistorer på ett chip, inte genom att göra dem mindre, utan helt enkelt genom att dra ner samma kretsmönster två eller flera gånger på samma kiselplatta. Intel släppte sina första sådana dual core chips i våras. Och Intels chefer föreställer sig en framtid med många kärnchips, med upp till tusen processorer sida vid sida.

Men det finns en skav. Koppartrådarna som förmedlar strömmen av digitalt ett s och 0 s in och ut ur en dator, och mellan processorer i vissa datorer, kan bara bära så mycket data så snabbt. Om jag dubblar prestandan [för en processor] måste jag dubbla prestandan på och av chippet, säger Gelsinger. Koppar, vår traditionella sammankopplingsteknik, håller på att ta slut.

Problemet är att elektriska pulser som går genom en koppartråd möter elektriskt motstånd, vilket försämrar informationen de bär. Som ett resultat måste databitar som färdas genom koppar placeras tillräckligt långt ifrån varandra och röra sig tillräckligt långsamt för att enheter i andra änden av tråden kan ta upp dem. Denna begränsning skapar redan datatrafikstockningar i lokala nätverk som använder koppartrådar för att ansluta datorer. Och många experter förutspår att det kommer att skapa flaskhalsar för datatrafik mellan flera processorer inom enskilda datorer. Resultatet är att även om Moores lag fortsätter att gälla, kommer datorer inte längre att kunna dra fördel av den ökade kraften den levererar, eftersom de inte kommer att kunna flytta data till och från chips tillräckligt snabbt för att hålla jämna steg med processorerna . Det är en grundläggande utmaning: datorer måste hitta ett snabbare sätt att flytta en stor mängd data både inom och mellan chips.

Gå in i silikonlasern. Optiska anslutningar kan bära tusentals gånger mer data per sekund än koppartrådar kan. Men befintliga optiska komponenter, som är gjorda av sådana exotiska halvledare som galliumarsenid och indiumfosfid, är alldeles för dyra för användning i enskilda datorer eller till och med lokala nätverk. Om man kunde göra optiska enheter av kisel, som är billigt och, åtminstone för ett företag som Intel, lätt att tillverka, skulle det förändra allt. Övergången till kiseloptik skulle lägga till en grundläggande ny förmåga till kiselchips: förmågan att manipulera och reagera på ljus. Företag skulle sannolikt utnyttja den förmågan först genom att ersätta kopparanslutningar med optiska länkar i nätverk. Men så småningom kan kiselfotonik också ersätta koppartrådar mellan processorer inom ett enda chip. Chipdesigners föreställde sig också att använda kiseloptik i de interna klockorna som mikroprocessorer använder för att utföra instruktioner, vilket dramatiskt ökar klockhastigheterna – och därmed beräkningshastigheterna.

Tills nyligen var alla spekulationer om potentialen hos kiseloptik hypotetiska: lämpliga kisellasrar fanns inte. Men saker och ting förändrades i vintras när Intel-forskaren Mario Paniccias labb rapporterade om den första kontinuerliga helkisellasern. Byggd med samma tillverkningsmetoder som producerar kiselchips, visade den experimentella enheten en stadig ström av infraröda fotoner, en prestation som många forskare trodde var omöjlig i kisel.

Det är fortfarande tidiga dagar för kiselfotonik. Men resultatet från Intel, som byggde på fynd som rapporterats under det senaste året i en uppsjö av papper som beskriver framsteg inom kiselbaserade optiska komponenter, övertygar många experter om att det kan bli praktiskt att nära koppla optisk och elektronisk teknik på datornivå. De framsteg som gjorts av Paniccias team har varit anmärkningsvärda, säger Graham Reed, en kiselfotonikpionjär vid University of Surrey i England. Nu börjar alla skeptikerna tro att kisel kommer att ha en verklig inverkan på optiken.

Förväntade framsteg inom kiselteknologi kommer nästan säkert att hålla Moores lag igång under överskådlig framtid och skapa allt snabbare datorer. Genom att snabba in enorma mängder data in i och ut ur chips och mellan maskiner kan kiselfotonik hjälpa människor att komma åt denna enorma beräkningskraft.

Usel sändare
Optiska fibrer utgör ryggraden i långväga telekommunikationsnät och är till stor del ansvariga för hastigheten på Internet. Men optiska komponenter är inte billiga. Att optiskt skicka och ta emot data kräver en laser som skapar en ljusstråle; en modulator som kapar den strålen till på/av-skurar som representerar digitala ett s och 0 s; vågledare som leder ljuset genom chips; och fotodetektorer som fångar ljuset och omvandlar det tillbaka till en elektronisk signal. För närvarande är dessa enheter inte gjorda av kisel och kostar tusentals dollar att installera. Telekomleverantörer har råd med dessa priser, men att göra tekniken genomförbar för att flytta data i en dator innebär att priserna sänks i storleksordningar.

Kisel kan vara svaret. Silicon för oss är det kanske inte en religiös upplevelse, men det är ganska nära, säger Gelsinger. Silicon har visat sig vara kostnadseffektivt, skalbart, hållbart, tillverkningsbart och har alla möjliga andra underbara egenskaper. Fotoniska delar gjorda av kisel skulle göra optiken mer överkomlig och bredda potentiella användningsområden. Idag är optik en nischteknik. I morgon är det huvudströmmen av varje chip som vi bygger, säger Gelsinger.

Fram till för ungefär ett år sedan såg det ut som om kisel aldrig skulle spela en nämnvärd roll i optiken. Kisel är inte i sig det bästa optiska materialet, förklarar Reed. Bland dess mest uppenbara brister är att det är en usel ljussändare. När elektronerna i kisel exciteras, får de istället för att frigöra fotoner att kislets kristallgitter vibrerar. Resultatet är värme, inte ljus. Däremot avger halvledare som galliumarsenid och indiumfosfid ljus när de exciteras elektriskt. Så även om forskare har fascinerats av utsikterna för ett optiskt chip i flera år, var konsensus att kisel inte var rätt material att bygga det med.

Sedan, i slutet av 1990-talet, rapporterade forskare en serie uppmuntrande, om än preliminära, framsteg inom kiseloptik (se Upstream, Technology Review, juni 2001 ). På Intel övertygade de framsteg som gjorts av Paniccias team chefer att utöka företagets kiselfotonikprogram. Intels första genombrott kom i februari 2004, när Paniccia rapporterade i tidskriften Natur att hans grupp hade tillverkat en kiselmodulator som kan omvandla en stadig ström av ljus från en laser till snabba pulser av digitala 1:or och 0:or med en hastighet av en miljard hertz, eller en gigahertz, ett 50-faldigt framsteg jämfört med det tidigare experimentellt demonstrerade rekordet för kisel. Men det var fortfarande inte i närheten av tillräckligt snabbt, säger Reed. Sedan i våras rapporterade Intel-forskare under ledning av materialvetaren Ling Liao en kiselmodulator som körs på 10 gigahertz, ungefär i nivå med andra optiska modulatorer.

Men den avgörande kisel-fotoniska komponenten var fortfarande lasern. Förra september rapporterade fyra separata grupper, inklusive Paniccias, kisellasrar som avfyrar staccato-ljuspulser. Eftersom kisel gör ett dåligt jobb med att omvandla elektriska laddningar till ljus, förlitade sig alla dessa kisellasrar på externa lasrar som energikällor. Liksom alla chipbaserade lasrar fungerar kisellasrarna genom att omvandla energi – i det här fallet fotoner från en annan ljuskälla – till en skur av fotoner med i huvudsak samma våglängd och fas. Intel-forskarna utnyttjade en sedan länge känd princip som kallas Raman-effekten, där fotoner får energi från kollisioner med vibrerande atomer.

Pulserande lasrar är dock inte bra för att överföra data. Optikingenjörer föredrar mycket kontinuerliga lasrar, som de kan skära och tärna med modulatorer för att skapa datasignaler. Men alla grupper kämpade med samma problem. När de ökade mängden kontinuerligt laserljus som de matade in i kiselchipsen, ökade också sannolikheten för att par av inkommande fotoner skulle träffa en enskild kiselatom samtidigt. När det hände, sparkade kiselatomerna ut elektroner ur sina atombanor, och dessa mobilladdningar slukade glupskt upp fotoner. Den inkommande lasern var tvungen att pulsas för att ge elektronerna de miljondelar av sekunder som de behövde för att ge upp sin överskottsenergi och slappna av tillbaka till sina vilotillstånd.

Paniccias team kom fram till ett svar som var både briljant och, för de som är bekanta med kiselteknik, konceptuellt enkelt. Etsad in i Intels laserchip var en vågledarkanal av kisel där ljuset studsade fram och tillbaka och ökade i intensitet. Forskarna implanterade elektroder på båda sidor av kanalen. När de slog på en spänning mellan elektroderna skapade det ett elektriskt fält som ledde de negativt laddade elektronerna mot den positivt laddade elektroden, vilket effektivt svepte dem ur vägen. Som ett resultat kunde fotonerna byggas upp obehindrat, tills de producerade en kontinuerlig laserstråle.

I vintras, tre dagar före jul, såg Paniccias kollegor Haisheng Rong och Richard Jones det första tecknet på att strategin fungerade: en linje på displayen på en optisk spektrumanalysator som visar att de infraröda fotoner som produceras av lasern kom ut i en stadig ström.

På insidan
Intels forskare måste fortfarande hitta sätt att tillverka silikonlasrar tillsammans med elektroniska komponenter på chips. Elektroniska kretsar byggs genom den mödosamma processen att lägga ner och etsa dussintals lager av material. Vissa av dessa steg kräver temperaturer långt över 1 000 °C eller exponering för frätande kemikalier. Så Intels ingenjörer kommer att behöva se till att de steg som krävs för att bygga upp de optiska enheterna inte försämrar de elektroniska kretsarna, och vice versa.

Som en första demonstration av användbarheten av kiselfotonik planerar Paniccia senare i år att integrera flera modulatorer och andra optiska komponenter på en bit kisel; denna inställning bör möjliggöra dataöverföringshastigheter på 100 gigabit per sekund. En sådan prototyp, hoppas Paniccia, kommer att illustrera potentialen hos kiselfotonik att transportera data in och ut ur chips mycket mer effektivt än något som finns på marknaden för närvarande.

Paniccia gick genom ett av sina nyrenoverade labb i våras och visade upp en modell av en optisk Ethernet-kabel som skulle använda kiselfotonik. Medan Paniccia normalt upprätthåller det blygsamma, försiktiga uppförandet av en vetenskapsman, är det tydligt att han njuter av att använda rekvisitan för att sälja sin vision om kiselns nya roll. På änden av den tunna spaghettikabeln sitter en kontakt som liknar änden av en telefonsladd, med metallkuddar som sitter under små slitsar i en silikonhölje. I en funktionell version av kabeln skulle elektriska signaler färdas från ett datorchip genom dessa metallkuddar till ett fotoniskt kiselchip inuti den lilla kontakten, där de skulle omvandlas till en ström av ljuspulser.

Även om kabeln på utsidan liknar bekant teknik, skulle tillförsel av billig kiselfotonik till den ge oöverträffad hastighet och kraft till datorer. Och det skulle göra det möjligt för Intel att lägga till sin berömda Intel inuti varumärkeslogotyp till ännu en transformerande teknologi. Att förverkliga den visionen kommer inte att vara lätt. Ändå är Paniccia övertygad om att det kommer att hända. Det är ingen tvekan längre om vi kan göra detta. Det är när och hur. Det har varit förändringen det senaste året. Och när den sista tekniska barriären faller, säger han, kommer kiselfotonik att finnas överallt.

Robert Service är en Portland, OR-baserad författare som täcker kemi och materialvetenskap för Vetenskap.

Dölj