Najważniejsze wiadomości - Nowa granica: mikroukłady przesyłają dane z prędkością światła
Lasery doskonale nadają się do przesyłania informacji. Za każdym razem, gdy korzystacie Państwo z Internetu lub wykonujecie połączenie telefoniczne dane, w postaci impulsów światła lub fotonów, przemierzają setki kilometrów za pośrednictwem sieci światłowodowych przecinających kontynent. Jednak we wnętrzach komputerów wciąż wykorzystuje się "starodawne" układy elektroniczne. Mikroprocesory realizują zadania obliczeniowe w oparciu o elektrony. Elektrony służą także do przesyłania danych pomiędzy mikroukładami. "Elektronika w szybkim tempie zmierza w kierunku punktu krytycznego", tłumaczy Dries Van Thourhout, pracownik Katedry Informatyki Uniwersytetu w Gandawie, laboratorium imec, w Belgii. "Do tej pory próbowaliśmy zwiększać szybkość działania tranzystorów, jednak ich wydajność osiągnęła obecnie maksimum, próbujemy więc zmieścić coraz więcej tranzystorów na coraz mniejszej powierzchni. Największym ograniczeniem wydajności jest jednak przepustowość połączeń pomiędzy mikroukładami i urządzeniami. Zjawisko to nazywane jest "wąskim gardłem na złączach" ('interconnectivity bottleneck')". Wyobraźmy sobie fabrykę słodyczy, w której w ciągu sekundy produkowane są tysiące cukierków, jednak fabryka jest w stanie pakować i rozsyłać do sklepów jedynie kilkaset sztuk produktu na sekundę. Jeżeli nie zwolnimy tempa produkcji, to słodycze zaczną się gromadzić, rozsypywać po podłodze i blokować system produkcji. Wydajne procesory współczesnych komputerów przetwarzają ogromne ilości danych i realizują miliony obliczeń na sekundę. Niezbędne jest jednak przesyłanie tych danych w obrębie komputera (lub telefonu komórkowego). Niestety złącza nie są wystarczająco szybkie i nie są w stanie przesyłać elektronów z wystarczająco dużą prędkością. Jedynym wyjściem z powyższej sytuacji jest zwolnienie tempa przetwarzania danych. Rozwiązaniem może być wykorzystanie światła: możliwe bowiem jest stosowanie laserów do przesyłania fotonów przez "przewody" krzemowe (światło o długości podczerwonej bardzo szybko przemieszcza się przez krzem, twierdzi Van Thourhout), zamiast elektronów. Jednak nie tylko prędkość światła sprawia, że złącza optyczne są lepsze. Prawdziwa zaleta tkwi w możliwości "multipleksowania" światła; mówiąc w skrócie, możliwe jest jednoczesne przesyłanie fotonów o różnej długości fali przez pojedyncze złącze. Wykorzystanie trzech długości fali pozwala trzykrotnie zwiększyć efektywną prędkość transmisji. Dziel i rządź Kierując się powyższym mottem, uczestnicy projektu "Multipleksowanie z podziałem długości fali w obrębie warstwy fotonicznej na podbudowie CMOS" ('Wavelength division multiplexed photonic layer on CMOS' - Wadimos) przygotowali prototypowy mikroukład, w którym zastosowano multipleksowane złącza optyczne. Powyższy układ elektroniczny stworzono w oparciu o technologię opracowaną we wcześniejszym projekcie (PICMOS), w ramach którego wyprodukowano pierwszy na świecie mikroukład wyposażony w zintegrowane źródła światła w postaci mikro-laserów. Stworzenie tego mikroukładu było możliwe dzięki opracowaniu przez partnerów projektu PICMOS unikalnego "kleju" wiążącego. "Projektu PICMOS był wielkim sukcesem. Wykazaliśmy, że złącza optyczne mogą być produkowane seryjnie i mogą działać", twierdzi Van Thourhout. "Jednak wyprodukowanie i uruchomienie czegoś w warunkach laboratoryjnych to jedno. Mikroukłady tego rodzaju nigdy nie staną się powszechne i nie pozwolą rozwiązać problemu wąskiego gardła na złączach, jeśli nie będzie możliwa produkcja milionów takich urządzeń na skalę przemysłową. Projekt PICMOS pozwolił zademonstrować zasady działania złączy optycznych. Celem projektu Wadimos jest udowodnienie, że możliwe jest multipleksowanie i że mikroukłady ze złączami optycznymi mogą być produkowane w standardowych fabrykach układów CMOS". Największy europejski producentów mikroukładów, firma STMicroelectronics, współpracowała z uniwersytetami oraz instytucjami badawczymi z Francji i Włoch oraz z holenderskim MŚP, które specjalizuje się w litografii (wytrawianiu) komponentów elektronicznych. Wspólnymi siłami powyżsi partnerzy rozwinęli wyniki projektu PICMOS i dostosowali je do bardziej komercyjnych procesów produkcyjnych. Jednym z największych wyzwań było zastąpienie pozłacanych złączy mikro-laserami zastosowanymi w prototypie PICMOS. "W fabrykach mikroukładów nie jest możliwe stosowanie złota", tłumaczy Van Thourhout. "Złoto jest substancją zanieczyszczającą, w związku z czym jeden z partnerów projektu, CEA-LETI, opracowało proces, dzięki któremu zintegrowane lasery, instalowane w mikroukładach, mogą być podłączane przy użyciu metali powszechnie stosowanych w produkcji mikroukładów, takich jak aluminium, tytan oraz azotek tytanu". Belgijski partner projektu, imec, pracował ponadto nad optymalizacją struktur pasywnych ruterów na podbudowie krzemowej oraz badał możliwości ich produkcji przemysłowej. Pozostali partnerzy projektu również wnieśli swoje doświadczenie: Instytut Nanotechnologii w Lyonie ('Lyon Institute of Nanotechnology' - INL), we Francji, zaprezentował nowy rodzaj "mikro-źródła", dzięki któremu możliwe jest kontrolowanie długości fali wyjściowej. Instytut INL współpracował ponadto z firmą STMicroelectronics, w celu opracowania metod symulacji mikroukładów wyposażonych w sieć optyczną. Natomiast na Uniwersytecie w Trydencie, we Włoszech, zaprojektowano i zaprezentowano nowy rodzaj rutera krzemowego, który potencjalnie można stosować do "przekierowywania" fotonów na odpowiednie ścieżki optyczne. Korzystając z powyższych osiągnięć uczestnicy projektu Wadimos stworzyli sieć ośmiu połączonych ze sobą bloków krzemowych. Naukowcy zaprezentowali skuteczne multipleksowanie w obrębie tych połączeń oraz możliwości filtrowania optycznego, pozwalające kierować fotonami i kontrolować ich przemieszczanie się przez złącza krzemowe, a także wykrywać je. Wciąż jednak niezbędne jest przeprowadzenie dużej ilości badań, szczególnie w celu zapewnienia sprawnego działania laserów w warunkach wysokiej temperatury panującej na powierzchni mikroukładów. Van Thourhout twierdzi, że niezbędne będzie znalezienie nowych, odpornych na ciepło materiałów. "Mimo wszystko jesteśmy pełni nadziei, że powyższe podejście okaże się bardzo skuteczne w dłuższej perspektywie czasowej", utrzymuje Van Thourhout. "Obraliśmy podejście poszukiwawcze". Van Thourhout tłumaczy, że pozostałe grupy badawcze, zwłaszcza te ze Stanów Zjednoczonych, opracowały złącza optyczne, w których wykorzystuje się źródło laserowe zlokalizowane "poza mikroukładem"; promień światła laserowego jest jedynie rozdzielany i "przekierowywany" w każdym złączu. "Mikroukłady tego typu znajdują się w dalszym stadium zaawansowania i już wkrótce będą stosowane w superkomputerach", twierdzi Van Thourhout, "możliwe, że pojawia się także w komputerach domowych, jednak na dłuższą metę bardziej wydajne będzie zintegrowanie źródeł światła laserowego z mikroukładami". "Spodziewamy się, że złącza opracowane w ramach projektu Wadimos pozwolą dalej zwiększać moc obliczeniową komputerów i rozwiążą problem wąskiego gardła przesyłowego. Naszym celem jest sprawienie, by złącza optyczne stały się standardową technologią, wspierającą opracowywanie bardziej wydajnych i mniejszych procesorów, zdolnych do przesyłania danych z prędkością rzędu 100 terabitów na sekundę". Projekt Wadimos uzyskał wsparcie finansowe w wysokości 2,3 milionów euro (całkowity budżet projektu wyniósł 3,2 milionów euro) w ramach podprogramu TIK "Komponenty nanoelektroniczne oraz integracja elektroniczna nowej generacji" ('Next-generation nanoelectronics components and electronics integration'), będącego częścią Siódmego Programu Ramowego UE (7PR). Użyteczne odnośniki: - Strona internetowa projektu "Multipleksowanie z podziałem długości fali w obrębie warstwy fotonicznej na podbudowie CMOS" - 'Wavelength Division Multiplexed Photonic Layer on CMOS' website - Informacje na temat projektu WADIMOS w bazie danych CORDIS - Strona internetowa projektu "Fotoniczna warstwa złoczowa na podbudowie CMOS dzięki integracji typu "waferscale"" - 'Photonic Interconnect Layer on CMOS by Waferscale Integration' website - Informacje na temat projektu PICMOS w bazie danych CORDIS Odnośne publikacje: - "Miedź nie nadąża: nowe układy wymagają prędkości światła" - 'Copper's not coping: new chips call on light speed'