IBM разработала лавинный фотодиод
Компания IBM объявила о том, что ее ученым удалось достичь значительного прогресса в изменении способа, посредством которого компьютерные чипы обмениваются друг с другом данными.
Разработанное IBM 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.
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 с помощью стандартных процессов, используемых в полупроводниковой промышленности при изготовлении микросхем, из кремния и германия – полупроводниковых материалов, широко применяемых в производстве микропроцессорных чипов. 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 IBM объявила 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 компания 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.
