211service.com
Självdrivna silikonlaserchips
En datavetare vid UCLA har förvandlat en kraftkrävande komponent i en kisellaser till en energigenerator – vilket kan hjälpa ingenjörer att försöka införliva snabbare optiska element i kommersiella processorer.
Bahram Jalali, professor i elektroteknik vid UCLA, har visat ett sätt att minska energibehovet i kisellaserchips, vilket kan göra dem mer kommersiellt genomförbara för optiska datortillämpningar. (Med tillstånd av UCLA:s Henry Samueli School of Engineering and Applied Science.)
Inte bara dumpar vi inte energi, vi återvinner den faktiskt, säger Bahram Jalali , professor i elektroteknik vid UCLA:s Henry Samueli School of Engineering and Applied Science Det låter för bra för att vara sant, men det är sant.
När datorchipstillverkare packar fler och fler transistorer på ett kiselchip, går de in i en grundläggande gräns: hur mycket data de kan trycka ut från chippet, eller från ett moderkort till ett annat, över koppartrådar. När de ökar kraften och mängden data, byggs elektriskt motstånd upp – tills kablarna når sin hastighetsgräns.
Teleföretag övervann detta problem för flera år sedan när de ersatte koppartrådar med ljusstrålar som fördes genom glasfibrer i långdistanskommunikation. Nu bygger chiptillverkare som Intel små versioner av dessa snabbare system, genom att dra fördel av den större bärförmågan hos ljusvågor över mycket kortare avstånd, som inte påverkas av elektriskt motstånd.
För två år sedan fick Jalali ett genombrott när han gjorde en laser av kisel. De flesta lasrar är gjorda av andra material; På grund av sin fysik avger kisel inte lätt ljus. Men att generera optiska signaler skulle vara billigare och enklare om lasrar kunde tillverkas av kisel, vars egenskaper redan är välkända av halvledarindustrin. Sedan, förra året, följde Intel upp Jalalis arbete med en bättre version av en kisellaser, såväl som en modulator för att koda signaler på ljusstrålen – och området för kiselfotonik föddes (se Intels genombrott, juli 2005).
Men det fanns ett problem. För att få lasereffekten använde både Jalali och Intel en extern laser och sköt in den i kislet, där ljusstrålens energi samverkade med materialet för att producera nytt ljus. Att träffa kislet med högintensivt laserljus gör att kislet genererar oönskade elektroner, vilket i sin tur kan absorbera fotonerna som produceras, vilket undergräver lasereffekten. Materialet blir som en svamp som suger upp ljuset, säger Jalali.
Intel åtgärdade problemet genom att fästa en elektrisk diod och köra en ström över chippet för att i huvudsak suga upp elektronerna. Men det krävde ungefär en watt elektrisk effekt – tillräckligt för att köra en miljon transistorer på chippet. Strömmen som gick genom chippet producerade också spillvärme som kunde få chipet att sluta fungera.
Jalali undrade vad som skulle hända om han vände om spänningsförspänningen från dioden, vilket skulle vända det elektriska fältet i kislet. Resultatet: den omvända förspänningen svepte fortfarande ut de herrelösa elektronerna, men den gjorde det utan att förbruka den watten.
På ungefär samma sätt som en solcell genererar elektricitet när den träffas av fotoner i solljus, frigörs de extra elektronerna i kisellasrar när två fotoner från lasern kombineras i kislet. Jalalis enhet tar upp de fria elektronerna och använder dem för att köra transistorer på chippet. Omkring två tredjedelar av den optiska kraften som gick förlorad för att generera elektroner kan återvinnas och användas, säger Jalali. Istället för att använda upp en watt effekt i elektronsaneringen och generera extra värme, producerar hans metod flera milliwatt effekt.
Jalali, vars arbete finansieras under ett Defense Advanced Research Projects Agency-program för att främja kiselfotonik, tillkännagav sina resultat vid en konferens i Kanada förra veckan. Han säger att för att vara praktisk så måste elektronuppsamlingsutrustningen krympas till en tiondel av sin nuvarande storlek, vilket han förväntar sig kan ta ungefär tre år.
Mario Paniccia, direktör för Intel Fotoniktekniklab , säger Jalalis arbete visar att kiselfotonik är på väg att bli praktisk. Det är i rätt riktning ... Hur exakt du skulle använda [den genererande effekten] och tillämpa den måste fortfarande optimeras, säger han. Det är inget man skulle tro skulle hända, men när man väl ser det är det vettigt.
Intel arbetar på ett program för att utveckla flera nyckelkomponenter i ett kiselfotoniksystem, inklusive inte bara ljuskällorna utan även modulatorer för att lägga till en signal, optiska förstärkare för att förstärka den, fotodetektorer och vågledare med låg förlust. Paniccia förväntar sig att laboratoriearbetet kan omvandlas till verkliga produkter år 2010, med början med kommunikation mellan rack med datorer, sedan längs en dators bakplan (kretskortet som gör att andra kort, som ljudkort, kan kopplas in) och slutligen från ett chip till ett annat.
Jalalis tillvägagångssätt är dock inte ett botemedel. Vid mycket höga optiska intensiteter blir antalet herrelösa elektroner så högt att den omvända förspänningen inte räcker för att ta bort dem alla utan att använda mer kraft. Och för vissa applikationer skulle chipdesigners föredra att en laser sitter på chipet och körs på elektricitet, istället för att pumpas av ljus från en annan laser, som nuvarande kisellaserchips kräver. Men i många fall, säger Jalali, är den externa laserkällan en fördel eftersom den minskar energianvändningen på chipet.
Paniccia liknar utvecklingen av kiselfotonik med skapandet av transistorn. Vakuumrörbaserade datorer brukade fylla hela rum, tills transistorer krympte dem, och den integrerade kretsen ledde så småningom till enormt kraftfulla datorer som kunde bäras i axelväskor. Likaså föreställer han sig att kiselfotonik en dag krymper routrarna och annan utrustning som fyller ett växlingsrum till chipstorlek. Säger Paniccia: Det kommer att göra det möjligt för optik, och fördelarna med optik, att gå till platser de inte kunde gå förut.