211service.com
Zelfaangedreven siliciumlaserchips
Een computerwetenschapper aan de UCLA heeft een energieverslindend onderdeel van een siliciumlaser getransformeerd in een energiegenerator - wat ingenieurs zou kunnen helpen bij het inbouwen van snellere optische elementen in commerciële processors.
Bahram Jalali, hoogleraar elektrotechniek aan de UCLA, heeft een manier aangetoond om de energiebehoefte in siliciumlaserchips te verminderen, waardoor ze commercieel haalbaarder kunnen worden voor optische computertoepassingen. (Met dank aan UCLA's Henry Samueli School of Engineering and Applied Science.)
We dumpen er niet alleen geen energie in, we winnen het zelfs terug, zegt Bahram Jalali , een professor in elektrotechniek aan de Henry Samueli School of Engineering and Applied Science van de UCLA. Het klinkt te mooi om waar te zijn, maar het is waar.
Naarmate computerchipfabrikanten steeds meer transistors op een siliciumchip plaatsen, lopen ze tegen een fundamentele limiet aan: hoeveel gegevens ze uit de chip kunnen duwen, of van het ene moederbord naar het andere, over koperdraden. Naarmate ze het vermogen en de hoeveelheid gegevens vergroten, bouwt de elektrische weerstand zich op - totdat de draden hun snelheidslimiet bereiken.
Telecommunicatiebedrijven hebben dit probleem jaren geleden overwonnen toen ze koperdraden vervingen door lichtstralen die door glasvezels werden geleid in langeafstandscommunicatie. Nu bouwen chipmakers zoals Intel kleine versies van deze snellere systemen, door over veel kortere afstanden te profiteren van het grotere draagvermogen van lichtgolven, die niet worden beïnvloed door elektrische weerstand.
Twee jaar geleden bereikte Jalali een doorbraak toen hij een laser maakte van silicium. De meeste lasers zijn gemaakt van andere materialen; vanwege zijn fysica straalt silicium niet gemakkelijk licht uit. Maar het genereren van optische signalen zou goedkoper en gemakkelijker zijn als lasers gemaakt zouden kunnen worden van silicium, waarvan de eigenschappen al goed worden begrepen door de halfgeleiderindustrie. Vorig jaar volgde Intel Jalali's werk op met een betere versie van een siliciumlaser, evenals een modulator om signalen op de lichtstraal te coderen - en het gebied van siliciumfotonica was geboren (zie Intel's Breakthrough, juli 2005).
Maar er was een probleem. Om het lasereffect te krijgen, gebruikten zowel Jalali als Intel een externe laser en vuurden deze in het silicium, waar de energie van de lichtstraal in wisselwerking stond met het materiaal om nieuw licht te produceren. Door het silicium te raken met laserlicht met hoge intensiteit, genereert het silicium echter ongewenste elektronen, die op hun beurt de geproduceerde fotonen kunnen absorberen, waardoor het lasereffect wordt ondermijnd. Het materiaal wordt als een spons die het licht opneemt, zegt Jalali.
Intel loste het probleem op door een elektrische diode aan te sluiten en een stroom over de chip te laten lopen om de elektronen in wezen op te zuigen. Maar daarvoor was ongeveer één watt elektrisch vermogen nodig, genoeg om een miljoen transistors op de chip te laten werken. De stroom die door de chip loopt, produceerde ook restwarmte waardoor de chip zou kunnen stoppen met functioneren.
Jalali vroeg zich af wat er zou gebeuren als hij de spanningsbias van de stroom van de diode zou omkeren, wat het elektrische veld in het silicium zou omkeren. Het resultaat: de omgekeerde voorspanning veegde nog steeds de verdwaalde elektronen weg, maar deed dit zonder dat watt vermogen te verbruiken.
Op vrijwel dezelfde manier waarop een zonnecel elektriciteit genereert wanneer deze wordt geraakt door fotonen in zonlicht, komen de extra elektronen in siliciumlasers vrij wanneer twee fotonen van de laser zich in het silicium combineren. Jalali's apparaat schept de vrije elektronen op en gebruikt ze om transistors op de chip te laten werken. Ongeveer tweederde van het optische vermogen dat verloren ging bij het genereren van elektronen kan worden teruggewonnen en gebruikt, zegt Jalali. In plaats van één watt vermogen te verbruiken bij het opruimen van elektronen en extra warmte te genereren, produceert zijn methode meerdere milliwatts aan vermogen.
Jalali, wiens werk wordt gefinancierd in het kader van een Defense Advanced Research Projects Agency-programma om siliciumfotonica te bevorderen, kondigde vorige week zijn resultaten aan op een conferentie in Canada. Hij zegt dat om praktisch te zijn de apparatuur voor het oogsten van elektronen zou moeten worden verkleind tot een tiende van de huidige omvang, wat volgens hem ongeveer drie jaar zou duren.
Mario Paniccia, directeur van Intel's Fotonica Technologie Lab , zegt Jalali's werk laat zien dat siliciumfotonica op weg is om praktisch te worden. Het gaat de goede kant op... Hoe je [het genererende effect] precies zou gebruiken en toepassen, moet nog worden geoptimaliseerd, zegt hij. Het is niet iets waarvan je zou denken dat het zou gebeuren, maar als je het eenmaal ziet, is het logisch.
Intel werkt aan een programma om verschillende belangrijke componenten van een silicium-fotonicasysteem te ontwikkelen, waaronder niet alleen de lichtbronnen, maar ook modulatoren voor het toevoegen van een signaal, optische versterkers om het te versterken, fotodetectoren en verliesarme golfgeleiders. Paniccia verwacht dat het laboratoriumwerk zich tegen 2010 kan vertalen in producten uit de echte wereld, te beginnen met communicatie tussen rekken met computers, vervolgens langs de backplane van een computer (de printplaat waarop andere boards, zoals geluidskaarten, kunnen worden aangesloten) en ten slotte van de ene chip naar de andere.
De aanpak van Jalali is echter geen wondermiddel. Bij zeer hoge optische intensiteiten wordt het aantal verdwaalde elektronen zo hoog dat de omgekeerde voorspanning niet voldoende is om ze allemaal te verwijderen zonder meer stroom te gebruiken. En voor sommige toepassingen geven chipontwerpers er de voorkeur aan dat een laser op de chip zit en op elektriciteit werkt, in plaats van te worden gepompt door licht van een andere laser, zoals de huidige siliciumlaserchips vereisen. Maar in veel gevallen, zegt Jalali, is de externe laserbron een voordeel omdat het het stroomverbruik op de chip vermindert.
Paniccia vergelijkt de ontwikkeling van siliciumfotonica met de creatie van de transistor. Op vacuümbuizen gebaseerde computers vulden vroeger hele kamers, totdat ze door transistoren werden gekrompen, en het geïntegreerde circuit leidde uiteindelijk tot enorm krachtige computers die in schoudertassen konden worden vervoerd. Evenzo stelt hij zich voor dat siliciumfotonica op een dag de routers en andere apparatuur die een schakelruimte vullen zal verkleinen tot chipgrootte. Paniccia zegt: Het stelt optica en de voordelen van optica in staat om naar plaatsen te gaan waar ze voorheen niet konden komen.