211service.com
Intel's doorbraak
De wet van Moore, die dit voorjaar zijn 40-jarig jubileum vierde, is de grootste zegen van de halfgeleiderindustrie geweest. In 1965 voorspelde Intel-medeoprichter Gordon Moore dat het aantal transistors op een computerchip elke twee jaar zou verdubbelen. In die tijd bevatte een chip slechts enkele tientallen transistors. Tegenwoordig bevat Intel's high-end chip meer dan 1,7 miljard transistors, en dat aantal zal naar verwachting de 10 miljard overschrijden in 2012. Deze gestage mars van vier decennia heeft de moderne computerrevolutie aangewakkerd en Intel tot een technische krachtpatser gemaakt.
Maar de mogelijkheid om steeds meer transistors en andere schakelingen op chips te plaatsen, verergert een groot aantal problemen die, als ze ernstig genoeg worden, de groei van de bestaande op silicium gebaseerde digitale economie kunnen bedreigen. Slechts enkele van de probleemgebieden: warmteontwikkeling, elektrische stromen die uit circuits lekken, elektrische overspraak tussen aangrenzende draden. De nieuwste CPU's voor desktopcomputers verbruiken bijvoorbeeld 100 watt aan stroom. Laptop-CPU's zijn over het algemeen efficiënter, omdat ze bedoeld zijn om de levensduur van de batterij te maximaliseren. Maar zelfs die verbruiken nu maar liefst 75 watt. Het is alsof je een broodrooster op je schoot legt, zegt Pat Gelsinger, senior vice-president van Intel. Een oplossing die naar verwachting wijdverbreid zal worden, is om het aantal transistors op een chip te vergroten, niet door ze kleiner te maken, maar gewoon door hetzelfde circuitpatroon twee of meer keer op dezelfde plak silicium te laten vallen. Intel bracht dit voorjaar zijn eerste dergelijke dual core-chips uit. En Intel-managers zien een toekomst voor zich van veel core-chips, met maximaal duizend processors naast elkaar.
Maar er is een wrijving. De koperdraden die de digitale stroom overbrengen een s en 0 s in en uit een computer, en tussen processors in sommige computers, kunnen maar zo veel gegevens zo snel vervoeren. Als ik de prestaties [van een processor] verdubbel, moet ik de prestaties op en naast de chip verdubbelen, zegt Gelsinger. Koper, onze traditionele interconnectietechnologie, raakt uitgeput.
Het probleem is dat elektrische pulsen die door een koperdraad gaan, elektrische weerstand ondervinden, waardoor de informatie die ze dragen verslechtert. Als gevolg hiervan moeten databits die door koper gaan ver genoeg uit elkaar liggen en langzaam genoeg bewegen zodat apparaten aan het andere uiteinde van de draad ze kunnen oppikken. Deze beperking zorgt nu al voor dataverkeer op lokale netwerken die koperdraden gebruiken om computers aan te sluiten. En veel experts voorspellen dat dit knelpunten zal creëren voor dataverkeer tussen meerdere processors binnen individuele computers. Het resultaat is dat, zelfs als de wet van Moore blijft gelden, computers niet langer kunnen profiteren van de toegenomen kracht die het levert, omdat ze niet in staat zullen zijn om gegevens snel genoeg van en naar chips te verplaatsen om de processors bij te houden. . Het is een fundamentele uitdaging: computers moeten een snellere manier vinden om een enorme hoeveelheid gegevens zowel binnen als tussen chips te verplaatsen.
Voer de siliciumlaser in. Optische verbindingen kunnen duizenden keren meer gegevens per seconde vervoeren dan koperdraden. Maar bestaande optische componenten, die zijn gemaakt van exotische halfgeleiders als galliumarsenide en indiumfosfide, zijn veel te duur voor gebruik in individuele computers of zelfs lokale netwerken. Als je optische apparaten zou kunnen maken van silicium, dat goedkoop is en, in ieder geval voor een bedrijf als Intel, gemakkelijk te produceren, zou dat alles veranderen. De overstap naar siliciumoptiek zou een nieuwe basismogelijkheid aan siliciumchips toevoegen: het vermogen om licht te manipuleren en erop te reageren. Bedrijven zouden die mogelijkheid waarschijnlijk eerst benutten door koperverbindingen te vervangen door optische verbindingen in netwerken. Maar uiteindelijk kan siliciumfotonica ook de koperdraden tussen processors binnen een enkele chip vervangen. Chipontwerpers stelden zich ook voor om siliciumoptieken te gebruiken in de interne klokken die microprocessors gebruiken om instructies uit te voeren, waardoor de kloksnelheden drastisch werden verhoogd - en dus de rekensnelheden.
Tot voor kort was al die speculatie over het potentieel van siliciumoptiek hypothetisch: geschikte siliciumlasers bestonden niet. Maar afgelopen winter veranderde er iets toen het lab van Intel-wetenschapper Mario Paniccia de eerste continue volledig siliciumlaser rapporteerde. Gebouwd met dezelfde productiemethoden die siliciumchips produceren, bleek het experimentele apparaat een gestage stroom infraroodfotonen te leveren, een prestatie die veel onderzoekers in silicium voor onmogelijk hadden gehouden.
Het is nog te vroeg voor siliciumfotonica. Maar het resultaat van Intel, dat voortbouwde op bevindingen die het afgelopen jaar zijn gerapporteerd in een stortvloed aan artikelen waarin de vooruitgang in op silicium gebaseerde optische componenten wordt beschreven, overtuigt veel experts ervan dat het praktisch zou kunnen worden om optische en elektronische technologie nauw met elkaar te verbinden op computerniveau. De vooruitgang die het team van Paniccia heeft geboekt, is opmerkelijk, zegt Graham Reed, een pionier op het gebied van siliciumfotonica aan de Universiteit van Surrey in Engeland. Nu beginnen alle sceptici te geloven dat silicium een reële impact zal hebben op de optica.
Verwachte vooruitgang in siliciumtechnologie zal vrijwel zeker de wet van Moore in de nabije toekomst in stand houden, waardoor steeds snellere computers zullen ontstaan. Door enorme hoeveelheden gegevens in en uit chips en tussen machines te versnellen, zou siliciumfotonica mensen kunnen helpen toegang te krijgen tot deze enorme rekenkracht.
Slechte zender
Optische vezels vormen de ruggengraat van langeafstandstelecommunicatienetwerken en zijn grotendeels verantwoordelijk voor de snelheid van internet. Maar optische componenten zijn niet goedkoop. Het optisch verzenden en ontvangen van gegevens vereist een laser die een lichtstraal creëert; een modulator die die straal opdeelt in aan/uit bursts die digitaal vertegenwoordigen een s en 0 s; golfgeleiders die het licht door chips leiden; en fotodetectoren die het licht opvangen en weer omzetten in een elektronisch signaal. Momenteel zijn deze apparaten niet gemaakt van silicium en kosten ze duizenden dollars om te plaatsen. Telecomaanbieders kunnen die prijzen betalen, maar om de technologie haalbaar te maken voor het verplaatsen van gegevens binnen een computer, moeten de prijzen met orden van grootte worden verlaagd.
Silicium is misschien het antwoord. Silicium is voor ons misschien geen religieuze ervaring, maar het komt aardig in de buurt, zegt Gelsinger. Silicium is bewezen kosteneffectief, schaalbaar, duurzaam, maakbaar en heeft allerlei andere prachtige eigenschappen. Fotonische onderdelen gemaakt van silicium zouden optica betaalbaarder maken en het gebruikspotentieel verbreden. Tegenwoordig is optica een nichetechnologie. Morgen is het de hoofdstroom van elke chip die we bouwen, zegt Gelsinger.
Tot ongeveer een jaar geleden zag het ernaar uit dat silicium nooit een rol van betekenis zou spelen in de optica. Silicium is intrinsiek niet het beste optische materiaal, legt Reed uit. Een van de meest voor de hand liggende tekortkomingen is dat het een slechte lichtzender is. Wanneer de elektronen in silicium worden geëxciteerd, laten ze in plaats van fotonen vrij te komen het kristalrooster van het silicium trillen. Het resultaat is warmte, geen licht. Daarentegen zenden halfgeleiders zoals galliumarsenide en indiumfosfide licht uit wanneer ze elektrisch worden geëxciteerd. Dus hoewel onderzoekers al jaren gefascineerd zijn door de vooruitzichten van een optische chip, was de consensus dat silicium niet het juiste materiaal was om het mee te bouwen.
Toen, aan het eind van de jaren negentig, rapporteerden onderzoekers een reeks bemoedigende, zij het voorlopige, vorderingen op het gebied van siliciumoptica (zie Upstream, Technologieoverzicht, juni 2001 ). Bij Intel overtuigde de vooruitgang van Paniccia's team leidinggevenden om het silicium-fotonica-programma van het bedrijf op te voeren. Intels eerste doorbraak kwam in februari 2004, toen Paniccia in het tijdschrift schreef: Natuur dat zijn groep een siliciummodulator had gemaakt die in staat was een gestage stroom licht van een laser om te zetten in snelle pulsen van digitale enen en nullen met een snelheid van één miljard hertz, of één gigahertz, een 50-voudige vooruitgang ten opzichte van het vorige experimenteel aangetoonde record voor silicium. Maar het was nog lang niet snel genoeg, zegt Reed. Dit voorjaar rapporteerden Intel-onderzoekers onder leiding van materiaalwetenschapper Ling Liao een siliciummodulator die draait op 10 gigahertz, ongeveer gelijk aan andere optische modulatoren.
Maar de cruciale silicium-fotonische component was nog steeds de laser. Afgelopen september meldden vier afzonderlijke groepen, waaronder die van Paniccia, siliciumlasers die staccato lichtpulsen afvuren. Omdat silicium elektrische ladingen slecht in licht omzet, vertrouwden al deze siliciumlasers op externe lasers als energiebronnen. Zoals alle op chips gebaseerde lasers, werken de siliciumlasers door energie - in dit geval fotonen van een andere lichtbron - om te zetten in een uitbarsting van fotonen met in wezen dezelfde golflengte en fase. De Intel-onderzoekers maakten gebruik van een al lang bekend principe, het Raman-effect, waarbij fotonen energie winnen door botsingen met trillende atomen.
Gepulseerde lasers zijn echter niet geweldig voor het verzenden van gegevens. Optica-ingenieurs geven veel de voorkeur aan continue lasers, die ze kunnen snijden en dobbelen met modulatoren om gegevenssignalen te creëren. Maar alle groepen worstelden met hetzelfde probleem. Naarmate ze de hoeveelheid continu laserlicht die ze naar de siliciumchips voerden, verhoogden, nam ook de kans toe dat paren binnenkomende fotonen tegelijkertijd een enkel siliciumatoom zouden raken. Toen dat gebeurde, schopten de siliciumatomen elektronen uit hun atomaire banen, en die mobiele ladingen slokten vraatzuchtig fotonen op. De binnenkomende laser moest worden gepulseerd om de elektronen de miljoenste seconden te geven die ze nodig hadden om hun overtollige energie op te geven en terug te ontspannen in hun rusttoestand.
Het team van Paniccia kwam met een antwoord dat zowel briljant was als, voor degenen die bekend zijn met siliciumtechnologie, conceptueel eenvoudig. In de Intel-laserchip was een siliciumgolfgeleiderkanaal geëtst waarin licht heen en weer kaatste en aan intensiteit won. De onderzoekers implanteerden elektroden aan beide zijden van het kanaal. Toen ze een spanning tussen de elektroden aanzetten, creëerde het een elektrisch veld dat de negatief geladen elektronen naar de positief geladen elektrode dreef, waardoor ze effectief uit de weg werden geveegd. Hierdoor konden de fotonen zich ongehinderd opbouwen, totdat ze een continue laserstraal produceerden.
Afgelopen winter, drie dagen voor Kerstmis, zagen Paniccia's collega's Haisheng Rong en Richard Jones het eerste teken dat de strategie werkte: een lijn op het display van een optische spectrumanalysator die aantoonde dat de door de laser geproduceerde infraroodfotonen in een regelmatige stroom.
Aan de binnenkant
Intel-onderzoekers moeten nog manieren vinden om siliciumlasers te produceren naast elektronische componenten op chips. Elektronische circuits worden gebouwd door het moeizame proces van het neerleggen en etsen van tientallen materiaallagen. Sommige van deze stappen vereisen temperaturen van meer dan 1.000 °C of blootstelling aan bijtende chemicaliën. De ingenieurs van Intel moeten er dus voor zorgen dat de stappen die nodig zijn om de optische apparaten op te bouwen de elektronische schakelingen niet verslechteren, en vice versa.
Als eerste demonstratie van het nut van siliciumfotonica, is Paniccia van plan later dit jaar verschillende modulatoren en andere optische componenten op een stuk silicium te integreren; deze opstelling zou gegevensoverdrachtsnelheden van 100 gigabit per seconde mogelijk moeten maken. Zo'n prototype, hoopt Paniccia, zal het potentieel illustreren van siliciumfotonica om gegevens veel efficiënter van en naar chips te transporteren dan alles wat momenteel op de markt is.
Paniccia liep dit voorjaar door een van zijn onlangs gerenoveerde laboratoria en toonde een mock-up van een optische Ethernet-kabel die siliciumfotonica zou gebruiken. Hoewel Paniccia normaal gesproken de bescheiden, zorgvuldige houding van een wetenschapper behoudt, is het duidelijk dat hij graag de prop gebruikt om zijn visie op de nieuwe rol van silicium te verkopen. Aan het uiteinde van de dunne kabel met spaghetti-streng zit een connector die lijkt op het uiteinde van een telefoonsnoer, met metalen kussentjes onder kleine sleuven in een siliconen omhulsel. In een functionele versie van de kabel zouden elektrische signalen van een computerchip door die metalen pads naar een silicium fotonische chip in de kleine connector gaan, waar ze zouden worden omgezet in een stroom lichtpulsen.
Hoewel de kabel aan de buitenkant lijkt op bekende technologie, zou het toevoegen van goedkope siliciumfotonica aan computers ongekende snelheid en kracht opleveren. En het zou Intel in staat stellen zijn beroemde Intel inside-branding-logo toe te voegen aan nog een andere transformerende technologie. Het realiseren van die visie zal niet eenvoudig zijn. Toch is Paniccia ervan overtuigd dat het gaat gebeuren. Er is geen vraag meer of we dit kunnen doen. Het is wanneer en hoe. Dat is de verandering in het afgelopen jaar. En als de laatste technische barrière valt, zegt hij, zal siliciumfotonica overal zijn.
Robert Service is een in Portland, OR gebaseerde schrijver die chemie en materiaalwetenschap behandelt voor: Wetenschap.