Ученые IBM создали сверхбыстрое устройство, которое использует световые импульсы для связи между компьютерными чипами

Устройство, получившее название «нанофотонный лавинный фотодиод» (nanophotonic avalanche photodetector), является самым быстродействующим в своем роде; оно способно привести к настоящему технологическому прорыву в области энергетически эффективных вычислений, что может оказать значительное влияние на будущее электроники.

Устройство IBM использует эффект «лавинного умножения» (т.н. лавина Таунсенда), свойственный германию, полупроводниковому материалу, который в настоящее время широко применяется в производстве микропроцессорных кристаллов. Этот эффект действует подобно снежной лавине на крутом горном склоне – входной световой импульс в первый момент освобождает лишь малое число носителей электрического заряда, которые, в свою очередь, освобождают других; таким образом, исходный сигнал многократно усиливается. Обычные лавинные фотодиоды, однако, не могут детектировать быстрые оптические сигналы, поскольку лавина формируется относительно медленно.

«Это изобретение делает концепцию оптических межсоединений в кристалле намного ближе к практической реальности, — подчеркнул доктор Т.Ч. Чен (T.C. Chen), вице-президент подразделения IBM Research по науке и технологиям. — С оптическими линиями связи, встроенными в процессорные чипы, создание энергетически эффективных компьютерных систем с производительностью эксафлопного (exaflop) уровня будет не слишком отдаленной перспективой». 

Продемонстрированный IBM лавинный фотодиод является самым быстрым в своем роде устройством. Он способен получать информационные сигналы со скоростью 40 Гбит/с (40 млрд. бит в секунду) и одновременно десятикратно их усиливать. Более того, устройство работает при напряжении питания всего 1,5 В, что в 20 раз меньше, чем у подобных устройств, демонстрировавшихся ранее. Таким образом, множество этих миниатюрных коммуникационных устройств потенциально смогут питаться от маленькой батарейки типоразмера AA, тогда как для питания обычных лавинных фотодиодов требуется напряжение 20-30 В.   

«Это впечатляющее улучшение в производительности является результатом умелого манипулирования оптическими и электрическими свойствами на уровне всего нескольких десятков атомов, чтобы позволило достичь показателей производительности, значительно выходящих за традиционные рамки, — отметил доктор Соломон Ассефа (Solomon Assefa), основной автор статьи. — Эти крошечные устройства способны улавливать очень слабые импульсы света и многократно усиливать их, обеспечивая беспрецедентную пропускную способность каналов обмена данными при минимальных паразитных шумах».

В устройстве IBM эффект лавинного умножения реализован на уровне всего нескольких десятков нанометров («одних-тысячных» миллиметра), и протекает он очень быстро. Кроме того, благодаря столь миниатюрным размерам, шумы, порождаемые усилением оптического сигнала, подавляются на 50-70% по сравнению с обычными лавинными фотодиодами. Устройство IBM создано из кремния и германия – полупроводниковых материалов, широко применяемых в производстве микропроцессорных чипов. Более того, устройство IBM создано с помощью стандартных процессов, используемых в полупроводниковой промышленности при изготовлении микросхем. Таким образом, «бок о бок» с кремниевыми транзисторами можно производить тысячи элементов, подобных продемонстрированному устройству IBM, для построения внутрипроцессорных оптических каналов обмена данными с высокой пропускной способностью. 

Достижение в области лавинных фотодиодов – последнее по времени в ряду предыдущих анонсов исследовательской организации IBM Research – является также последним «кусочком пазла», завершающим картину разработки «нанофотонного инструментария», необходимого для создания межсоединений в кристалле чипа. 

В декабре 2006 года ученые IBM продемонстрировали нанофотонную кремниевую линию задержки, которая была применена для буферизации более байта данных, закодированных в виде оптических импульсов – обязательное условие создания буферных областей памяти для встроенных в микросхему оптических каналов обмена данными.

В декабре 2007 года ученые IBM объявили о разработке сверхкомпактного электрооптического модулятора, преобразующего электрические сигналы в импульсы света, что стало предпосылкой, определившей потенциальную возможность создания внутрипроцессорных оптических коммуникационных каналов.

В марте 2008 года ученые IBM анонсировали изобретение самого миниатюрного в мире нанофотонного коммутатора для «управления трафиком» обмена данными по внутренним оптическим коммуникационным каналам микросхемы, подтвердив, тем самым, что «оптические сообщения» можно эффективно маршрутизировать.

Отчет о нынешнем достижении ученых IBM, озаглавленный "Reinventing Germanium Avalanche Photodetector for Nanophotonic On-chip Optical Interconnects" («Новое изобретение германиевого лавинного фотодиода для применения в качестве нанофотонных межэлементных соединений микросхемы») – который подготовлен Соломоном Ассефа (Solomon Assefa), Фэннянь Ся (Fengnian Xia) и Юрием Власовым (Yurii Vlasov) из исследовательского центра IBM им. Т. Дж. Уотсона (IBM TJ Watson Research Center (Йорктаун Хейтс, штат Нью-Йорк) – опубликован в мартовском номере научного журнала Nature за этот год.

IBM имеет многолетнюю историю новаторских исследований и уникальных разработок в области полупроводниковых технологий, которые помогают улучшать производительность при одновременном уменьшении габаритов и сокращении потребления электроэнергии. Среди этих достижений: разработка первого мире микропроцессора с медными проводниками внутренних межсоединений; разработка технологии «кремний на диэлектрике» (silicon-on-insulator, SOI), которая позволяет снизить энергопотребление и увеличить производительность, обеспечивая электрическую изоляцию миллионов транзисторов в чипе; и разработка технологии «напряженного кремния» ("strained silicon"), позволяющей снизить электрическое сопротивление в кремнии и ускорить поток электронов через транзисторы.