פוטוניקת סיליקון כחלופה לחיבורי נחושת. העתיד של סיליקון פוטוניקס לייזר סיליקון היברידי

שנת 2007 האחרונה הייתה מוצלחת מאוד לפיתוח טכנולוגיות רבות של אינטל, לרבות בתחום פוטוניקת הסיליקון. מגזין MIT Technology Review השווה את הישגי הפריצה האחרונים של אינטל בתחום זה לזכייה משולשת בתחרויות - כך העריכו משקיפים בפרסום המוביל שורה של הודעות רשמיות של התאגיד.

לדברי ג'סטין רטנר, מנהל טכנולוגיה ראשי וראש קבוצת הטכנולוגיה התאגידית של אינטל, "הוכחנו באופן אמפירי שטכנולוגיות ייצור התואמות לעיצוב סיליקון CMOS מאפשרות יצירת התקנים אופטיים מוליכים למחצה. הוכחת עובדה זו הייתה הישג עצום, אך נדרשים צעדים משמעותיים לא פחות להמשך הפיתוח של הכיוון הטכנולוגי הזה. כעת עלינו ללמוד כיצד לשלב התקני פוטוני סיליקון ברכיבי מחשב סטנדרטיים; אנחנו עדיין לא יודעים איך לעשות את זה. אך במקביל, אנו ממשיכים לעבוד באופן פעיל עם החטיבות המעורבות בפיתוח של סוגים שונים של מוצרים כדי להציע ליצרנים מודלים לשימוש בפוטוניקת מוליכים למחצה בפתרונות אינטל".

חוקרים באינטל פיתחו את השבב המוליך למחצה הראשון בעולם המסוגל לייצר קרני לייזר רציפות באיכות גבוהה. שמונה לייזרים משולבים בשבב סיליקון אחד.

פוטוניקת סיליקון כאמצעי לחסל צווארי בקבוק בדרך לעידן מחשוב טרה

סיליקון פוטוניקה היא מרכיב קריטי באסטרטגיית הפיתוח ארוכת הטווח של Corporate Technology Group שמטרתה להאיץ את המעבר למחשוב טרה. העובדה היא שכאשר מתפתחים מעבדים מרובי ליבות עם כוח מחשוב עצום, מתעוררות בעיות חדשות למהנדסים. לדוגמה, הדרישה למהירות תקשורת בין זיכרון למעבד תחרוג בקרוב מהמגבלות הפיזיות המוטלות על ידי מוליכים נחושת, ומהירות השידור של אותות חשמליים תהפוך לאטית יותר ממהירות המעבד. כבר עכשיו, הביצועים של מערכות מחשוב חזקות מוגבלים לרוב על ידי מהירות חילופי הנתונים בין המעבד לזיכרון. טכנולוגיות העברת הנתונים של ימינו מיועדות לרוחב פס נמוך בהרבה בהשוואה לפוטוניקה, וככל שהמרחק בו מועברים נתונים גדל, מהירות השידור נעשית איטית עוד יותר.

"יש צורך להתאים את מהירות העברת הנתונים בין מרכיבי פלטפורמת המחשוב למהירות המעבדים. זו אכן משימה חשובה מאוד. אנו רואים בפוטוניקת סיליקון פתרון לבעיה זו וממשיכים בתוכנית מחקר שממצבת אותנו בחזית התחום הזה", אמר מהנדס המחקר המובהק של אינטל קווין קאהן.

בדיקות של אב טיפוס של מודול זיכרון אופטי הראו שניתן להשתמש באור, ולא בחשמל, כדי לגשת לזיכרון השרת.

צוות בראשות חוקר האופטיקה הראשי של אינטל, דרו אלדואינו, מפתח מערכת תקשורת אופטית למעבד לזיכרון עבור פלטפורמות אינטל. פלטפורמת בדיקה כבר נוצרה המבוססת על זיכרון FB-DIMM מאוחסן במלואו, עליו מאתחלת ומופעלת Microsoft Windows. אב הטיפוס הנוכחי הוא הוכחה ליכולת לחבר זיכרון למעבד באמצעות קווי תקשורת אופטיים מבלי לפגוע בביצועי המערכת.

ליצירת גרסה מסחרית של פתרון כזה יש יתרונות עצומים עבור המשתמשים. מערכות תקשורת אופטית יחסלו את צוואר הבקבוק בין רוחב הפס של הזיכרון ומהירות המעבד וישפרו את הביצועים הכוללים של פלטפורמת המחשוב.

ממחקר ועד יישום

המעבדה הטכנולוגית של פוטוניקה, בראשות מהנדס המחקר המוכר של אינטל, מריו פניצ'יה, הוכיחה שניתן לייצר את כל רכיבי התקשורת האופטית - לייזר, מאפנן ודמודולטור - ממוליכים למחצה באמצעות טכנולוגיות ייצור קיימות. PTL כבר הדגימה רכיבי סיליקון פוטוניקה קריטיים הפועלים בביצועים שוברי שיא, כולל מאפננים ומפזרים המספקים קצבי נתונים של עד 40 Gbps.

כדי ליישם טכנולוגיית פוטוניקת מוליכים למחצה, נדרשים שישה רכיבים עיקריים:

• פוטונים פולטי לייזר;
• אפנן להמרת זרם של פוטונים לזרם מידע לשידור בין אלמנטים של פלטפורמת המחשוב;
• מוליכי גל, הפועלים כ"קווי שידור" להעברת פוטונים ליעדיהם, ומרבבים לשילוב או הפרדה של אותות אור;
• מארז, הכרחי במיוחד ליצירת טכנולוגיות הרכבה ופתרונות בעלות נמוכה שניתן להשתמש בהם בייצור המוני של מחשבים אישיים;
• דמודולטור לקליטת זרמי פוטונים הנושאים מידע והמרתם חזרה לזרם אלקטרונים זמין לעיבוד על ידי מחשב;
• מעגלים אלקטרוניים לשליטה ברכיבים אלה.

%%%
סוגיית הטמעת כל רכיבי התקשורת האופטית הללו באמצעות טכנולוגיות מוליכים למחצה מוכרת כבעיית מחקר מרכזית, אשר פתרונה יוביל לפריצת דרך טכנית אדירה. PTL כבר קבעה מספר שיאי עולם על ידי פיתוח התקנים, מאפננים, מגברים ודמודולטורים בעלי ביצועים גבוהים המספקים קצבי נתונים של עד 40 Gbps. במהלך חמש השנים הקרובות, אינטל תנסה לשלב את הרכיבים הללו במוצרים בפועל.

אחד המרכיבים המרכזיים של פוטוניקת סיליקון הוא אפנן המספק מהירויות שידור של עד 40 Gbit/s.

בתחום הפוטוניקת מוליכים למחצה, אינטל כבר נכנסה למתחם הביתי. המחקר בתחום האינטגרציה של אלמנטים אופטיים כבר עבר משלב הפיתוח המדעי או הטכנולוגי לשלב יצירת מוצרים מסחריים. צוות המחקר מתמקד כעת בזיהוי היכולות והמפרטים לעיצוב מוצרים חדשניים המבוססים על טכנולוגיה מהפכנית זו. בסופו של דבר, צוותי אינטל יוצרים אבות טיפוס ועובדים בשיתוף פעולה הדוק עם צוותי פיתוח מוצרים כדי להאיץ את האימוץ של טכנולוגיה חדשה.

בנוסף לפעילויות שלה, אינטל מממנת כמה מהמחקרים המבטיחים ביותר בתחום זה מחוץ ל-CTG - במיוחד, היא משתפת פעולה עם אוניברסיטת קליפורניה בסנטה ברברה, המפתחת לייזר מוליכים למחצה היברידי. גם בוגרים מוכשרים מאוניברסיטאות שונות ממדינות אחרות עוברים התמחות במעבדת PTL.

חוקר האופטיקה המוביל של אינטל, ריצ'רד ג'ונס, אמר: "אנו עומדים בפני שני אתגרים מרכזיים בפרויקט הלייזר המוליך למחצה ההיברידי הנוכחי. ראשית, עלינו להעביר את ייצור פיילוט לייזר היברידי מאוניברסיטת קליפורניה למפעל אינטל. שנית, עלינו לשלב לייזר היברידי, מאפנן מוליכים למחצה במהירות גבוהה ומרבב כדי להוכיח שאנו יכולים ליצור משדר אופטי יחיד המבוסס על טכנולוגיית ייצור תואמת CMOS".

הכנסת טכנולוגיות פוטוניקת סיליקון תהיה כרוכה בפיתוח תהליכי ייצור חדשים לייצור לייזרים בקנה מידה גבוה. ההצלחות של אינטל בתחום הפוטוניקה יאפשרו לה להתעלות משמעותית על מתחרים פוטנציאליים. מעבדת PTL כבר רשמה כ-150 פטנטים. הפרסומים היוקרתיים ביותר, כמו Nature, ציינו את ההישגים חסרי התקדים של מומחי אינטל. בנוסף, אינטל זכתה בפרס EE Times ACE לשנת 2007 עבור הטכנולוגיה החדשה והמבטיחה ביותר.

רודף אחרי פוטונים

בניגוד לתהליכי ייצור טרנזיסטורים מבוססים הקיימים שהוכחו במשך עשרות שנים, הטכנולוגיה ליצירת אלמנטים עבור פוטוניקת מוליכים למחצה היא חדשה לחלוטין. ישנן בעיות מסוימות בדרך ליישומו: אופטימיזציה של מכשירים, הגברת אמינות התכנון, פיתוח מתודולוגיית בדיקה, הבטחת יעילות אנרגטית ופיתוח התקנים תת-מיניאטוריים.

ספסל בדיקה למאפנן לייזר סיליקון 40 גיגה-ביט

אחת הבעיות החשובות ביותר היא אופטימיזציה, מכיוון שמעבדת PTL מפתחת מכשירים אופטיים למחשוב המוני. בעוד שאין מוצרים דומים אחרים, תקנים או נקודות התייחסות אחרות, מהנדסים המפתחים תהליך טכנולוגי חדש מחפשים בעצמם פתרונות המתאימים בצורה הטובה ביותר לצרכים של יישומי מחשב.

נכון לעכשיו, קבוצת חוקרים ממעבדת PTL, קטנה יחסית בסטנדרטים של פוטואלקטרוניקה, עוברת בהדרגה למסחור של פתרונות פוטוניקה מוליכים למחצה ומצפה שאימוץ המוני של הטכנולוגיה המדהימה הזו יוכל להתחיל כבר בשנת 2010. קבוצה של מומחי אופטיקה מה- Digital Enterprise Group (DEG) תחת הנהגתו של Victor Krutul, היא מפתחת יישומים שיספקו את הבסיס לפיתוח טכנולוגיה חדשה. "אנו מאמינים שבאמצעות שליטה בתקשורת אופטית, מוצרי אינטל ימשיכו לציית לחוק מור", אומר קרוטל.

כאשר משתמשים בפוטונים, ולא באלקטרונים, להעברת מידע בין רכיבים של אותה פלטפורמת מחשוב ובין מערכות שונות, תתרחש מהפכת המחשבים הבאה. יצרני אלקטרוניקה מובילים ברחבי העולם כבר הצטרפו למירוץ הזה, המבקשים להשיג יתרון תחרותי. ניתן להשוות את משמעות הטכנולוגיה החדשה להמצאת המעגלים המשולבים. אינטל מובילה את הדרך במחקר זה ובפיתוח של רכיבים מבוססי פוטוניקה מוליכים למחצה.

כיום, חיבורים אופטיים משמשים בעיקר ברמת התקן למכשיר או ברשתות אופטיות. המרכיבים העיקריים שלהם ועקרונות הפעולה נדונים באחד הקודמים. עם זאת, ישנן שלוש קטגוריות אחרות של חיבורים - לוח-ללוח, שבב-צ'יפ ותקשורת בתוך מעגל - שעבורן הקושי העיקרי ביישום חיבורים אופטיים נעוץ בצורך לשלב פונקציות אופטיות ואלקטרוניות במשותף. מצע מוליכים למחצה. בעיה זו עשויה להיפתר על ידי פוטוניקת סיליקון, המשתמשת בחומרים מבוססי סיליקון כדי ליצור, לשדר, לשלוט ולזהות אור.

סיבות

העניין בפיתוח ערוצי תקשורת אופטיים ברמת הלוח נגרם כתוצאה מיצירת שרתי להב. המטרה הברורה של טכנולוגיה אופטית כאן היא המטוס האחורי. הוא תומך בדרך כלל בחיבורי נקודה לנקודה או מרובי נקודות במהירות גבוהה עם אורכים טיפוסיים של עד 1 מ'. היתרונות העיקריים של לוחות תיקון אופטיים כוללים דיבור נמוך ורוחב פס גבוה. עם זאת, רבים מלוחות התיקון האופטיים של ימינו דומים יותר ללוחות תיקון. הם הדגימו מגוון טכנולוגיות אופטיות, כולל סיבי סיליקון פולימריים, סיבי סרט המשולבים בלייזרים פולטי משטח חלל אנכיים (VCSELs), שרשראות סיבים מישוריים ופוטודיודות. אבל אף אחד מהם, למעט כמה יישומי נישה, לא החליף חיבורי נחושת.

קשה לחזות אם מירוץ מהירות השעון בתעשיית המעבדים ייפסק, כי בהקצנה מחוק מור, אנו יכולים לצפות להופעת שבבים עם תדרי שעון של כ-10 גיגה-הרץ עד סוף 2010. עם זאת, אפילו בתדרים הנוכחיים, זה הופך להיות יותר ויותר קשה לספק את רוחב הפס הנדרש במעגלים מודפסים או מודולים המבוססים על אפיקי נחושת. אובדן על PCB FR-4 נחושת (עמידת להבה 4) הוכח כעלייה מהירה בתדרים מעל 1 גיגה-הרץ, כאשר יחסי אות לרעש מתדרדרים ומתרחשות שגיאות תזמון. בנוסף, הצלבה מגבילה את צפיפות החיווט. לערוצים אופטיים מהירים באורך של עד 10 ס"מ בין מעגלים מיקרוניים יש מספר יתרונות בהשוואה לאלו הנחושת. יש להם הפסדים נמוכים יותר עם רוחב פס גדול יותר, ואינם נתונים להצלבה אלקטרומגנטית. ב-20 השנים האחרונות הוצעו טכנולוגיות אופטיות כדי להתגבר על המגבלות של חיווט נחושת, אך העלות הגבוהה יחסית והשימוש בחומרים אקזוטיים הפכו אותן לבלתי מתאימות לייצור בקנה מידה גדול.

גם תכנון חיבורים חשמליים בתוך מעגלים משולבים הפועלים בתדרים מרובי גיגה-הרץ הופך מורכב יותר ויותר. במצב כזה, ערוצים אופטיים באורך טיפוסי של פחות מ-1 ס"מ הופכים להיות אטרקטיביים. הסיבות הבאות תורמות לכך:

• הפחתת זמני השהיה בהשוואה לשימוש במוליכי נחושת;
• רוחב פס גדול שאינו מגביל את העלייה בתדרי השעון של טרנזיסטורים;
• צריכת חשמל מופחתת;
• חוסר רגישות להפרעות אלקטרומגנטיות.

עם זאת, כיום, המאמצים לשלב אופטיקה ואלקטרוניקה אינם רק בשלבים הראשונים שלהם, אלא גם יקרים למדי בהשוואה לטכנולוגיות מסורתיות מבוססות נחושת.

אינטל עורכת מחקר אינטנסיבי מאוד בתחום זה, שגישתה לפתרון הבעיה מבוססת על פוטוניקת סיליקון. אבני הבניין העיקריות של הפלטפורמה המשולבת המוצעת כאן הם לייזר חיצוני חלל מתכוונן (ECL), מאפנן סיליקון, פוטו-גלאי סיליקון-גרמניום וטכנולוגיית חיבורים בעלות נמוכה.

מקורות אור סיליקון

למרות שלייזרים מבוססי סיליקון עדיין לא ניתנים להשגה, עבודה על מקורות אור כאלה הנפלטים בטווחים הנראה והאינפרא אדום מתבצעת ברחבי העולם. מקורות סיליקון הם אחד החלקים האורגניים לאינטגרציה מונוליטית, מכיוון שהם מאפשרים ייצור של אלמנטים אופטיים וגם אלקטרוניקה בקרה על מצע יחיד. בעת שימוש במנחי אור סיליקון, הקרינה צריכה להיות בתחום האינפרא אדום עם אורך גל של יותר מ-1.1 מיקרון, שכן בחלון זה ההפסדים מזעריים.

נכון להיום, רוב המחקרים מתבצעים בכיוון של שימוש בהשפעת האלקטרו-לומינסנציה – קרינה המתקבלת כתוצאה משאיבה חשמלית. עד לקבלת פולטי סיליקון אמינים ויעילים, נשקלת אפשרות של אינטגרציה היברידית, כלומר שימוש במקורות אור שאינם סיליקון המחוברים למובילי אור סיליקון.

הקושי בייצור מקורות אור סיליקון נגרם על ידי נוכחות של פער פס עם מעברים עקיפים. זה מוביל לעובדה שההסתברות למעברים לא קרינתיים (בפרט, ריקומבינציה אוגר) הופכת גבוהה יותר מאלה עם פליטת אור.

כדי להשיג קרינת אינפרא אדום, יש להחדיר לסיליקון זיהומים מתאימים, כגון ארביום. מובילי אור מסיליקון המסוימים בארביום פולטים בטווח האינפרא אדום אם הם מסוממים בנוסף בחמצן ליצירת יונים פעילים אופטית בסריג. עם זאת, למכשיר מסוג זה יש חיסרון משמעותי: למרות שעוצמת הקרינה גבוהה יחסית ב-100°K, בטמפרטורות החדר היא יורדת בחדות.

הדרך הבאה להגביר את היעילות של תפוקת האור בסיליקון היא להפחית את מספר המעברים הלא קרינתיים במהלך ריקומבינציה של אלקטרון-חור. זה מושג על ידי הפחתת הדיפוזיה של נשאים למרכזי רקומבינציה לא קרינה בסריג, מה שמגביר את ההסתברות למעברים פולטי אור. שיטה אחת להגבלה כזו, התואמת לטכנולוגיית VLSI, מבוססת על שימוש בננו-גבישים. אמצעים אחרים כוללים שימוש בארות קוונטיות בפגמי GeSi או סריג קריסטל.

ניתן לכלול זיהומים אחרים מלבד ארביום כדי לייצר קרינה באורכי גל אחרים. לדוגמה, טרביום מספק קרינה עם אורכי גל של 0.98 ו-0.54 מיקרון. עם זאת, אורך החיים והאמינות של מכשירים כאלה נמוכים מדי לשימוש מעשי.

מגבלה נוספת לכל סוגי מקורות האור מסיליקון עם זרם ישר היא מהירות האפנון הישיר הנמוך - כ-1 מגה-הרץ. זה אומר שהם דורשים מאפננים חיצוניים כדי ליצור ערוצים במהירות גבוהה.

ארכיטקטורת מכשיר

העבודה על יצירת מקורות אור מסיליקון נמשכת, אך הם עדיין רחוקים מלהשלים. ועד שיופיע מקור אור סיליקון אמין ויעיל, מערכות פוטוניקה משולבות ידרשו חומרים מסורתיים מקבוצות III-V של הטבלה המחזורית.

בעקבות אינטל, אנו נותנים דוגמה כיצד לייזר חלל חיצוני ומוביל אור סיליקון עם סורג Bragg יכולים לשמש כמסנן לאור קבוצה III-V הנוצר מהגביש על מנת לקבל את אורך הגל הרצוי לתקשורת אופטית. ניתן להשתמש באפקט התרמו-אופטי החזק בסיליקון כדי לכוון את הגל שנוצר.

סורג ה-Bragg נעשה על ידי חריטה של ​​מספר חריצים בגודל 1.2 × 2.3 × 3.4 מיקרומטר על פרוסת סיליקון-על-מבודד (SOI). לאחר מכן, לאחר עיבוד מתאים, שאת פרטיו אנו משמיטים, הונח סריג הבראג במנחה האור. ה-ELC נבנה על ידי חיבור מוביל אור המכיל סורג Bragg לשבב מגבר. המהוד נוצר בין סורג בראג, המשמש כמראה בצד אחד, לבין שבב מגבר עם ציפוי רפלקטיבי של 90%, היוצר מראה בצד הנגדי. מנחה האור עם סורג ה-Bragg חובר לשבב המגבר בזווית של 8°, שיחד עם הציפוי הלא מחזיר אור הפחיתו את ההחזר האפקטיבי של הפנים ל-10-5. הקרן שנוצרה יצאה מהצד של דיודת הלייזר עליה הוחל ציפוי רפלקטיבי של 90% ונכנסה לקונוס של סיב אופטי חד-מודד עם עדשה (איור 1). העדשה שימשה להגברת הצימוד בין הסיב האופטי ללייזר. כדי להבין טוב יותר את עקרון הפעולה של לייזר עם חלל חיצוני באמצעות סורג Bragg, אנו מציגים את הדיאגרמה שלו באמצעות רכיבים מסורתיים יותר (איור 2).

מאפננים סיליקון

אז, לעיל תיארנו לייזר מתכוונן המבוסס על דיודה מוליכים למחצה מורכבים מקבוצות III-V וסריג סיליקון Bragg. עם זאת, פלט הלייזר מייצר גל מתמשך, שאינו נושא מידע. כדי להעביר נתונים על ערוצי תקשורת אופטיים, נדרש מאפנן אופטי. מכשירים כאלה עם תדרי אפנון מעל 1 GHz נוצרו בדרך כלל מגבישי ליתיום ניובאט פרו-אלקטריים (LiNbO3) או מוליכים למחצה מורכבים עם מספר בארות קוונטיות, המנצלים את אפקט סטארק המקומי (פיצול קווים ספקטרליים של אטום בהשפעת חשמל חיצוני שדה) או אפקט ספיגה חשמלית. תדר האפנון במכשירים אלו מגיע ל-40 גיגה-הרץ.

הביקוש בשוק לפתרונות בעלות נמוכה עורר את הפיתוח של מאפננים מבוססי סיליקון. בנוסף, פוטוניקת סיליקון מאפשרת להשיג אלמנטים אופטיים משולבים מונוליטיים המבוססים על טכנולוגיית CMOS.

מאפננים אופטיים מבוססי סיליקון הוצעו והוכחו על ידי מרכזי מחקר רבים. אנו מציגים כאן גרסה ניסיונית של מכשיר המבוסס על אינטרפרומטר Mach-Zehnder (MZI). הודות לפיתוח המקורי של מעגל הסטת פאזה המבוסס על קבל MOS המובנה במוליך הגל הסיליקון הפסיבי של MZI, ניתן להשיג תדר אפנון של 2.5 GHz עבור אורך גל של 1.55 מיקרומטר.

ייצוג סכמטי של ה-MCI מוצג באיור. 3. האור הנכנס מחולק לשני חלקים שווים ומופנה לשתי זרועות האינטרפרומטר. כל אחד מהם יכול להכיל קטע פעיל, אשר, באמצעות מתח מופעל, משנה מעט את מהירות התפשטות האור בזרוע. בשל כך, מתקבל הסטת פאזה של הקורות במוצא, אשר, עקב הפרעות, מוביל לתנודות עוצמה בקרן המתקבלת.

גלאי צילום סיליקון

הרכיב הפעיל הסופי שחייב להיות משולב בפלטפורמה אופטית עשויה סיליקון הוא הפוטו-גלאי. גלאי צילום סיליקון כבר נמצאים בשימוש נרחב עבור יישומים המשתמשים באור נראה (0.4-0.7 מיקרומטר), כגון במצלמות דיגיטליות וסורקים, בשל היעילות הגבוהה שלהם באורכי גל אלו. עם זאת, רוב הלייזרים המוליכים למחצה המשמשים בתקשורת פועלים באזור הקרוב לאינפרא אדום, בדרך כלל 850, 1310 ו-1550 ננומטר, טווח שבו הסיליקון שקוף וגלאי גרוע. הדרך הנפוצה ביותר להגביר את זרם המוצא של גלאי סיליקון היא הוספת גרמניום, אשר מקטין את פער הפס ומגדיל את אורך הגל של האור שזוהה.

באיור. איור 4 מציג חתך של גלאי צילום המבוסס על מדריכי אור SiGe שפותחו על ידי אינטל. זה נעשה על אותה פלטפורמת SOI כמו המודולטור שנדון קודם לכן. שכבת SiGe ממוקמת על גבי חרוז הסיליקון של מוביל האור.

הגרסה הראשונה של הגלאי השתמשה ב-18 בארות קוונטיות המבוססות על Si0.5Ge0.5 כחומר סופג אור. הרגישות עבור חלק מהמכשירים הגיעה ל-0.1 A/V באורך גל אור של 1316 ננומטר. המפתחים מאמינים שעם כמה שיפורים ניתן להגדיל את הרגישות ל-0.5 A/V. רוחב הפס היה מתחת ל-500 מגה-הרץ עקב שינוי משמעותי של פס הערכיות, שמנע את הובלת חורים. עם זאת, מאמינים שניתן לתקן חסרון זה על ידי שינוי הרכב הסרט. סימולציות מראות שתפוקה יכולה להגיע ל-10 Gbps.

מחקר בתחום האופטיקה המישורית המבוססת על סיליקון נמשך במעבדות רבות ברחבי העולם כבר כמה עשורים, אך טרם הושגו דוגמאות תעשייתיות. עם זאת, לאחרונה חלה התקדמות משמעותית בהבנת הבעיות הנוכחיות והדרכים האפשריות לפתור אותן.

בארות קוונטיות

באר קוונטית היא באר פוטנציאלית המגבילה את תנועת החלקיקים. כאשר נכנסים אליו, חלקיקים שנעו בעבר בחופשיות במרחב התלת-ממדי יכולים לנוע רק באזור שטוח, בעצם דו-ממדי. השפעת הגבלת התנועה מופיעה כאשר גודל הבאר הקוונטית הופך להיות דומה לאורך הגל דה ברולי של הנשאים (בדרך כלל אלקטרונים או חורים). הבה נבחן ברמה האיכותית כיצד נוצרת באר קוונטית.

כידוע, בהתאם לתורת הרצועות, ספקטרום האנרגיה של מוליך למחצה מורכב משלוש רצועות (מלמטה למעלה): רצועת ערכיות, רצועת פער פס ורצועת הולכה. אם שכבה דקה של מוליך פס צר ממוקמת בין שתי שכבות של מוליכים רחבים למחצה, אזי האלקטרונים של פס ההולכה של השכבה הדקה האמצעית, בעלי אנרגיה נמוכה מרמת האנרגיה של פערי הפס הרחב של מוליכים למחצה הסמוכים. לא יוכלו לחדור את המחסום הפוטנציאלי שנוצר על ידם. לפיכך, שני הטרוג'נקציות מגבילים את תנועת האלקטרונים משני הצדדים, כלומר, האלקטרונים נעולים בכיוון אחד. אנו יכולים לומר שתנועת גז אלקטרונים בבאר קוונטית הופכת דו מימדית.

פוטוניקת סיליקון היא אחד התחומים המבטיחים ביותר באלקטרוניקה, מה שמבטיח הפחתה משמעותית בצריכת האנרגיה ועלייה בתפוקה. טכנולוגיה זו מאפשרת לבנות שבבים אלקטרו-אופטיים על שבב סיליקון בודד, המאפשרת לשבבים בודדים לתקשר באמצעות אותות אופטיים ולא חשמליים. לקח ל-IBM כ-12 שנים ליצור את השבב ההיברידי הראשון הפועל. הביצועים המוגברים של מערכות עם שבבים כאלה מאפשרים ליצור מחשבי-על חזקים הרבה יותר מאלה הפועלים כיום.

לפיכך, השימוש בפולסי אור במקום בפולסים חשמליים מאפשר העברה מהירה של כמויות גדולות מאוד של מידע הן בתוך שבב אחד והן בין חלקים שונים של מערכת מחשוב אלקטרונית. בעבר הצליח התאגיד ליצור משדר פוטוני שסיפק את הפונקציה של ריבוי ערוצים לפי אורך הגל של האור. כעת החברה הצליחה למקם שבבים שנעשו באמצעות טכנולוגיית סיליקון פוטוניקה ישירות על מודול המעבד.

Bert Offrein, ראש קבוצת הפוטוניקה ב-IBM Research - Zurich, יחד עם עמיתים מאירופה, ארה"ב ויפן, מציע לשקול שבבים המיוצרים באמצעות טכנולוגיית סיליקון פוטוניקה בשווה למעבדי סיליקון רגילים. הטכנולוגיה לייצור שבבים כאלה מוצעת גם כהיברידית. הצוות הדגים את הפעולה היעילה של השבב ההיברידי, מה שמצביע על פריצת דרך אפשרית בטכנולוגיית הסיליקון פוטוניקת. עיצובים נוכחיים כוללים בדרך כלל שימוש במקלט משדר אופטי בקצה הלוח. אבל זה לא פתרון, שכן מקלט המשדר ממוקם מספיק רחוק מהמעבד, וביצועי המערכת מופחתים משמעותית.

קווים כחולים הם סיבים אופטיים המעבירים מידע בצורה של פעימות אור. המבנים הכתומים-צהובים הם מוליכים נחושת שדרכם עוברים אותות חשמליים במהירות גבוהה. המפתחים הצליחו לשלב את שני סוגי המוליכים בשבב אחד.

הפיתוח של שבבים היברידיים מאפשר להגיע לעלייה מרובה בביצועי המערכת כולה שבה נעשה שימוש בשבבים כאלה. צוות הפיתוח הצליח לפתח שיטה לחיבור מובילי אור מפולימר וסיליקון, למרות העובדה שהגדלים של מבנים כאלה שונים מאוד.

מערכות מחשב עם שבבים היברידיים מסוג זה ישמשו לעבודה עם כמויות אדירות של נתונים, שיאפשרו ביצוע חישובים אנליטיים, עיבוד נתונים תוך שניות. מערכות-על של מחשוב קוגניטיבי יכולות לעזור לקחת את הטכנולוגיה והמדע לרמה חדשה. אבל למומחים יש עוד הרבה עבודה לעשות לפני שכל זה יתאפשר.

לוגיקה פוטונית עדיין לא תחליף את לוגיקה מוליכים למחצה, אבל היא כבר יכולה לשמש להעברת נתונים. גם בין מכשירים וגם בין ליבות מעבד.

כשמסתכלים על ההכרזה האחרונה על מוצרי חומרה חדשים מבית אפל, אפשר לומר שטכנולוגיות חדשות הן כמו ירק טרופי: רק אתמול היה ירייה עקומה קטנה, אבל היום כבר יש גפן עוצמתית שהשתרשה עמוק ואימצה גזע השוק של טכנולוגיית המחשב עם היורה שלה.

המראה של מחשבי המק הראשונים עם ממשק Thunderbolt התקבל בסקרנות, אבל לא יותר מזה. בנוסף, השוק בחן את יציאת FireWire המוזרה במחשבים ניידים Apple PowerBook 3G.

ההכללה שלאחר מכן של Thunderbolt, בשילוב עם Display Port, כמעט בכל ציוד המחשוב של אפל אילצה את יצרני הציוד ההיקפי לחשוב ברצינות על תמיכה בטכנולוגיה זו. למרבה המזל, הבקר החדש שפותח על ידי אינטל תומך בו זמנית גם ב-Thunderclap וגם במפרט ה-USB 3.0. ואם הכל ברור עם הממשק העדכני ביותר, אז Thunderbolt מלא בתעלומות. איזה מהם?

ובכן, למשל, מהסדרה "מה על שמך?" אחרי הכל, Thunderbolt הוא שם השוק של טכנולוגיית המחקר Light Peak של אינטל, כאשר מילת המפתח היא קלה. אותם עשרת גיגה-ביט לשנייה ש-Thunderbolt מציע כעת לצרכנים, המשדר נתונים על חוטי נחושת על פני מרחק של עד שלושה מטרים, הם באמת פרחים בהשוואה לחמישים הגיגה-ביט לשנייה ש-Light Peak מספקת על פני כבל אופטי לאורך מאה מטרים.

הופעתה של גרסה אופטית של Thunderbolt היא עניין של העתיד הקרוב. עתיד שבו, יחד עם המיקרו-אלקטרוניקה שאנו רגילים אליה, "מלכת האור" - הפוטוניקה - תתחיל לסייע בעיבוד נתונים.

אתה יכול לקרוא על האופן שבו אינטל משתמשת בפוטוניקה בטכנולוגיית חילופי הנתונים המהירה שלה Silicon Photonics Link במאמר "הורד בשנייה: התקדמות בפוטוניקת סיליקון."

פתרונות הסיליקון פוטוניקה של אינטל יספקו חמישים גיגה-ביט לשנייה של רוחב פס של ממשק היקפי למחשב

הגיע הזמן להסתכל על הרכיבים של מערכות מבוססות סיליקון פוטוניקה ביתר פירוט. מערכות, כי פתרונות אינטל רחוקים מלהיות היחידים. והכי חשוב, היום אלו כבר לא רק תרגילי מעבדה. Silicon photonics רכשה את כל היכולות הדרושות והיא מוכנה למדי לשתף פעולה פורה עם פתרונות מיקרו-אלקטרוניים קיימים.

דוגמה לשיתוף פעולה כזה הוא גיבור החומר הנוכחי - פרויקט IBM ששמו ההולם SNIPER (Silicon Nano-Scale Integrated Photonic and Electronic Transceiver).

פוטוניקה. לבנים של טכנולוגיה

האם פוטוניקה יכולה להחליף לחלוטין את האלקטרוניקה במיקרו-מעגלים? כנראה שלא. התפשטות האור מבוססת על חוקי האופטיקה, המטילה מגבלות משמעותיות על התכנון של רכיבים בסיסיים כמו טרנזיסטורים, קבלים ודיודות. לא, ניסיונות לפתח אנלוגים אופטיים של הטרנזיסטור נעשו די מזמן, וגם היום הם לא מפסיקים. אבל הם לא יכולים להתחרות בטכנולוגיית CMOS מוכחת.

מעגל הטרנזיסטור הפוטוני הוצע עוד בשנות השמונים של המאה הקודמת

המקום שבו הפוטוניקה באמת מצטיינת הוא ביישום קישורים מהירים בין רכיבי מעגל דיגיטלי. כלומר, באותם מקומות שבהם האלקטרוניקה מתחילה להחליק יותר ויותר באופן פעיל. עלייה במידת האינטגרציה של רכיבי מיקרו-מעגלים משפיעה על גודל מוליכי המתכת המחברים אותם. עם המעבר לתהליך ייצור CMOS של עשרים ושניים ננומטר, התמודדו המהנדסים עם הבעיה של תופעות חולפות בפוטי נחושת מיניאטוריים. תופעות אלו יכולות בקלות להוביל לשגיאות בפעולה של מערכת מחשוב מורכבת ארוזה היטב בשבב סיליקון.

השימוש בפוטוניקה כמדיום תקשורת למיקרו-מעגלים מאפשר לטכנולוגים להסיר בו-זמנית שבבים חדשים מהשפעת תהליכים חולפים במוליכי נחושת ולהפחית באופן משמעותי את חימום המיקרו-מעגל. בניגוד לאלקטרונים, אשר ממירים באופן לא פרודוקטיבי את האנרגיה שלהם לחום, פוטונים, הנעים לאורך מוליך אופטי, אינם מפזרים חום כלל.

אז, פתרון הפשרה הוא שילוב של אלקטרוניקה ופוטוניקה. אלקטרוניקה שומרת על הבסיס של מעגלים דיגיטליים, והפוטוניקה לוקחת על עצמה את התפקיד של מדיום מוליך אוניברסלי.

מה צריך לסביבה כזו? קודם כל, מקור הפוטונים הוא לייזר. הבא הוא המדיום המוליך שדרכו יכולים פוטונים להתפשט בתוך המיקרו-מעגלים - מוליכי גל. על מנת שהאפסים והאחדים שנוצרו על ידי רכיבים אלקטרוניים יהפכו לשטף אור, ובשביל ההמרה ההפוכה, יידרשו מאפננים ודמודולטורים, אך כמובן לא פשוטים, אלא אופטיים.

ובכן, על מנת להשיג את התפוקה הגבוהה הנדרשת על ידי הערוצים של מעגלים משולבים נוכחיים, יידרשו מרבבים ו-demultiplexers (כמובן, גם אופטיים). יתרה מכך, כל הרכיבים הללו חייבים להיות מיושמים על אותו בסיס סיליקון המשמש לטכנולוגיית CMOS.

הפיתוח של "אבני הבניין" הללו הוא הנתיב שבו הלכה פוטוניקת הסיליקון בעשרים השנים האחרונות. במהלך תקופה זו, הוצעו הרבה פתרונות ייחודיים, שהיו עצם "סכום הטכנולוגיות" שאפשרו לפוטוניקה לעבור לרמה חדשה מבחינה איכותית. רמת מעגלים אופטיים-אלקטרוניים משולבים.

לייזר סיליקון

למעשה, הביטוי "לייזר סיליקון" הוא אוקסימורון. בהיותו מוליך למחצה מרווח עקיף, הסיליקון אינו מסוגל לחלוטין לפלוט אור. זו הסיבה שתקשורת סיבים אופטיים משתמשת בפתרונות המבוססים על מוליכים למחצה אחרים (פער ישיר), כמו גליום ארסניד. יחד עם זאת, סיליקון מצוין ליצירת מוליכי גל וזיהוי אותות אופטיים לאותות חשמליים.

אז מה הבעיה? ניתן להשתמש בלייזר חיצוני למעגל הסיליקון או לפתח מעגל היברידי המבוסס על סיליקון ולמשל גליום ארסניד. אבל אף אחד מהפתרונות לא יכול להיחשב יעיל. במקרה של שימוש בלייזר חיצוני (ובמערכות סיבים אופטיות מודרניות ברמת מאקרו זה נעשה), ברמת המיקרו כמעט בלתי אפשרי לכייל במדויק את הקרן ביחס למוביל גל בגודל ננומטר. הכללת גליום ארסניד בתהליך הייצור של שבבי CMOS נכשלה. שני מוליכים למחצה אלה דורשים תנאי ייצור שונים מאוד.

אז, האם לייזר סיליקון לעולם לא יראה (או יותר נכון יפלוט) אור? ברור שלא. ניתן לגרום לסיליקון לזוהר באמצעות טריקים שונים. למשל, לסמם אותו בחומר שיפלוט פוטונים מעבר לסיליקון. או לשנות את מבנה הסיליקון עצמו באופן שייאלץ להידלק. הדרך השלישית היא להשתמש בפיזור רמאן (נקרא גם פיזור רמאן), שהופך באופן זמני את הסיליקון למוליך למחצה כמעט ישיר.

אחת הדרכים לגרום לסיליקון לזהור היא ליצור מבנה סיליקון נקבובי

סכמטי ומיקרוגרף של לייזר ראמאן

נכון לעכשיו, מדענים השיגו את ההצלחה הגדולה ביותר בתחום טכנולוגיות סימום הסיליקון. המימוש המפורסם ביותר של לייזר סיליקון בגל מתמשך המבוסס עליהם הוא הלייזר שפיתחה אינטל בשיתוף עם אוניברסיטת קליפורניה, סנטה ברברה. מדענים הצליחו "להדביק" אינדיום פוספיד מוליך למחצה בעל פער ישיר למוביל גל סיליקון באמצעות תחמוצת. עובי ה"דבק" הוא רק 25 אטומים. על ידי יצירת הבדל פוטנציאלי בין סיליקון לאינדיום פוספיד (זה נקרא "שאיבה חשמלית"), הם השיגו היווצרות פוטונים, שחודרים דרך ה"דבק" אל מוליך גל הסיליקון.

דיאגרמה סכמטית של לייזר סיליקון היברידי בגל מתמשך

בהתבסס על תכנית זו, נוצרות גרסאות של לייזר סיליקון היברידי עם אורכי גל שונים (טווח אינפרא אדום, שקוף לסיליקון), המאפשרת ליישם מערכת תקשורת רב-ערוצית.

מאפננים סיליקון

ניתן לחשוב על זרם הפוטונים הנפלט על ידי לייזר סיליקון כתדר נושא שצריך להיות מווסת על ידי אות בינארי.

מאפננים אופטיים נחשבו בלתי אפשריים עד שהמדענים החליטו לנצל את תופעת הפרעות האור. באופן כללי, ניתן לקבל אות אופטי מאופנן על ידי הפרעה של אלומת ייחוס של אור וקרן העוברת דרך חומר המשנה את מקדם השבירה בהשפעת זרם חשמלי (מה שנקרא אפקט אלקטרו-אופטי). לרוע המזל, הסיליקון איכזב אותנו גם כאן - סריג הקריסטל הסימטרי שלו אינו מאפשר את מימוש האפקט האלקטרו-אופטי. הסימום נחלץ שוב לעזרה.

המדענים פיצלו את מוליך גלי הסיליקון ובנו שכבה של סיליקון ניטריד על אחת מזרועותיו, שמתחה את סריג גביש הסיליקון. הפעלת המתח על קטע זה מובילה לשבירה של האור בזרוע זו של מוליך הגל. יחד עם זאת, בזרוע השנייה אותה זרימה מתפשטת ללא עיוות.

מיקרו-צילום של קטע של זרוע שבירת האור במאפנן מאך-זהנדר

יישום של כל המודולטור של מאך-זהנדר והגרסאות שלו.

השילוב של השטפים הללו במוצא גורם להפרעות שלהם, ושטף המוצא יאופנן על ידי הפעלת מתח על זרוע מוליך הגל סיליקון ניטריד. מדענים לא היו צריכים להמציא את הגלגל מחדש. אפקט דומה נמצא בשימוש נרחב באינטרפרומטרים של מאך-זהנדר. לכן, מאפני סיליקון ודמודולטורים נקראו בדיוק אותו דבר.

מרבבי סיליקון

זרמי אור מאופננים מרובים ממספר לייזרים עם אורכי גל שונים יכולים להגדיל באופן משמעותי את התפוקה של ערוץ תקשורת על ידי מקבילת שידור נתונים. אבל איך אפשר לשלב את השרשורים הרבים האלה לאחד? יתר על כן, באופן שניתן לחלק שוב את הזרימה הכוללת המתקבלת במוצא. זה המקום שבו מרבבים באים להצלה. אופטי, כמובן.

הרעיון של מרבב אופטי המבוסס על מערך של מוליכי גל (AWG)

מיקרוסקופ של מרבבי AWG

מרבב אופטי המבוסס על מפל של מאפננים של מאך-זהנדר

נכון לעכשיו, הוצעה טכנולוגיה לריבוי מיקרו-מיניאטורי של אור באמצעות ריבוי ספקטרלי שלו (WDM - Wavelengths Division Multiplexing). לרוב, מבנה עקיפה המבוסס על מערך של מובילי גל ומראות (AWG - Arrayed Waveguide Grating) משמש למימושו, בו כל אלומת אור נעה לאורך מוליך הגל שלה, מעוקל בהתאם לאורך הגל שלה. כאשר מוליכי גל אלו מתאחדים, הם נותנים את השטף הצפוף הספקטרלי שנוצר. פתרון נפוץ נוסף הוא שימוש במפל של מאפננים של Mach-Zehnder המוכרים לנו כבר.

IBM SNIPER. סיליקון טרביט

פתרונות בתחום פוטוניקת הסיליקון המוצעת על ידי אינטל מכוונים לקידום טכנולוגיות פוטוניות בתחום ממשקי התקנים היקפיים. הפוטנציאל המסחרי המיידי הוא גרסה אופטית של חמישים גיגה-ביט של ממשק Thunderbolt (אולי עד ליישום התעשייתי הוא ייקרא אחרת). בטווח הארוך יותר, אינטל שוקלת להגדיל את התפוקה למאתיים גיגה-ביט לשנייה. להגיד שזה מהיר זה לא לומר כלום: למשל, ניתן להעביר את התוכן של דיסק DVD במהירות זו בשנייה אחת.

מעבדת המחקר של IBM שמה לעצמה בדיוק את אותה מטרה. קבעתי את זה והשגתי את זה! נכון, IBM מתכננת להשתמש בטרביט שלה לא בממשקי תקשורת, אלא באוטובוסים מהירים המחברים את הליבות של מעבד מרובה ליבות.

תקשורת פנימית גרעינית המבוססת על פוטוניקת סיליקון

רעיון לפרויקט SNIPER מ-IBM Research (החלק הפוטוני של המעגל מוצג בכחול)

פרויקט SNIPER הוא יישום מעשי של רעיון הננו-פוטוניקה, תוך שימוש ב"אבני הבניין" שנדונו לעיל כדי ליצור רשת תקשורת פוטונית. רשת פוטונית זו משולבת על גבי עוגת מערכת-על-שבב רב-שכבתית הכוללת מודול רב-מעבד ומודול RAM. עם יציאות כלפי חוץ, רשת כזו מספקת חיבור של מערכת זו על שבב לאפיק נתונים אופטי במהירות גבוהה המחבר את המעבד עם הפריפריה. חיווט מוליך הגל הפנימי מבטיח ניתוב נתונים בין הליבות של מודול המעבד.

מודול פוטוניים שישה ערוצים של פרויקט SNIPER

פרויקט SNIPER מתגאה כיום ביישום של מודול משדר פוטוניים בעל שישה ערוצים באמצעות לייזרים היברידיים של סיליקון, מאפננים של Mach-Zehnder ומרבב מערך מולי גל. התפוקה של כל ערוץ של מקלט משדר זה הוא עשרים גיגה-ביט לשנייה. חמישים מהערוצים הללו מיושמים על מצע של 25 מילימטר מרובע, המספק את אותה טרה-ביט של תפוקה.

שבב פוטוניים של Project SNIPER המספק תפוקת טרה-ביט

והכי חשוב, SNIPER אינו עוד פרויקט מחקר. ספריות של כל האלמנטים הפוטוניים לליתוגרפיית סיליקון נבדקו עבור מחזור הייצור. כמו גם הטכניקה לשילובם עם לוגיקה CMOS של המערכת על שבב.

היכן ייושם פתרון זה תחילה? כמובן, במערכות מחשבי-על ובמרכזי מחשוב ענן. המקום בו יש צורך ביותר כוח המחשוב של מעגלים אלקטרוניים הוא החלפת נתונים במהירות האור.

עם זאת, אנו יכולים להיות בטוחים שההתרחבות של פוטוניקת סיליקון למחשוב צרכני אינה רחוקה. הכל יתחיל בממשקים לחיבור ציוד היקפי, ואז, הנה והנה, האוטובוסים לפתרונות מרובי ליבות יתפסו את הפער, ויהפכו את הסיליקון המשעמם בתוך המעבדים שלנו לקריסטל קסום נוצץ בכל צבעי הספקטרום.

שנת 2007 האחרונה הייתה מוצלחת מאוד לפיתוח טכנולוגיות רבות של אינטל, לרבות בתחום פוטוניקת הסיליקון. מגזין MIT Technology Review השווה את הישגי הפריצה האחרונים של אינטל בתחום זה לזכייה משולשת בתחרויות - כך העריכו משקיפים בפרסום המוביל שורה של הודעות רשמיות של התאגיד. לדברי ג'סטין רטנר, מנהל טכנולוגיה ראשי וראש קבוצת הטכנולוגיה התאגידית של אינטל, "הוכחנו באופן אמפירי שטכנולוגיות ייצור התואמות לטכנולוגיית עיצוב CMOS סיליקון מאפשרות יצירת התקנים אופטיים מוליכים למחצה.

הוכחת עובדה זו הייתה הישג עצום, אך נדרשים צעדים משמעותיים לא פחות להמשך הפיתוח של הכיוון הטכנולוגי הזה. כעת עלינו ללמוד כיצד לשלב התקני פוטוני סיליקון ברכיבי מחשב סטנדרטיים; אנחנו עדיין לא יודעים איך לעשות את זה. אך במקביל, אנו ממשיכים לעבוד באופן פעיל עם החטיבות המעורבות בפיתוח של סוגים שונים של מוצרים כדי להציע ליצרנים מודלים לשימוש בפוטוניקת מוליכים למחצה בפתרונות אינטל".

פוטוניקת סיליקון כאמצעי לחסל צווארי בקבוק בדרך לעידן מחשוב טרה

סיליקון פוטוניקה היא מרכיב קריטי באסטרטגיית הפיתוח ארוכת הטווח של Corporate Technology Group שמטרתה להאיץ את המעבר למחשוב טרה. העובדה היא שכאשר מתפתחים מעבדים מרובי ליבות עם כוח מחשוב עצום, מתעוררות בעיות חדשות למהנדסים. לדוגמה, הדרישה למהירות תקשורת בין זיכרון למעבד תחרוג בקרוב מהמגבלות הפיזיות המוטלות על ידי מוליכים נחושת, ומהירות השידור של אותות חשמליים תהפוך לאטית יותר ממהירות המעבד. כבר עכשיו, הביצועים של מערכות מחשוב חזקות מוגבלים לרוב על ידי מהירות חילופי הנתונים בין המעבד לזיכרון. טכנולוגיות העברת הנתונים של ימינו מיועדות לרוחב פס נמוך בהרבה בהשוואה לפוטוניקה, וככל שהמרחק בו מועברים נתונים גדל, מהירות השידור נעשית איטית עוד יותר.

בדיקות של אב טיפוס של מודול זיכרון אופטי הראו שניתן להשתמש באור, ולא בחשמל, כדי לגשת לזיכרון השרת

"אנחנו צריכים להתאים את מהירות העברת הנתונים בין רכיבי פלטפורמת המחשוב למהירות המעבדים. זו באמת משימה חשובה מאוד. אנחנו רואים בפוטוניקת סיליקון פתרון לבעיה הזו, ולכן יש לנו תוכנית מחקר ש מאפשר לנו לתפוס עמדה מובילה בתחום זה." אמר קווין קאן, מהנדס מחקר מובהק בחברת אינטל.

צוות בראשות חוקר האופטיקה הראשי של אינטל, דרו אלדואינו, מפתח מערכת תקשורת אופטית למעבד לזיכרון עבור פלטפורמות אינטל. פלטפורמת בדיקה כבר נוצרה המבוססת על זיכרון FB-DIMM מאוחסן במלואו, עליו מאתחלת ומופעלת Microsoft Windows. אב הטיפוס הנוכחי הוא הוכחה ליכולת לחבר זיכרון למעבד באמצעות קווי תקשורת אופטיים מבלי לפגוע בביצועי המערכת.

ליצירת גרסה מסחרית של פתרון כזה יש יתרונות עצומים עבור המשתמשים. מערכות תקשורת אופטית יחסלו את צוואר הבקבוק בין רוחב הפס של הזיכרון ומהירות המעבד וישפרו את הביצועים הכוללים של פלטפורמת המחשוב.

ממחקר ועד יישום

המעבדה הטכנולוגית של פוטוניקה, בראשות מהנדס המחקר המוכר של אינטל, מריו פניצ'יה, הוכיחה שניתן לייצר את כל רכיבי התקשורת האופטית - לייזר, מאפנן ודמודולטור - ממוליכים למחצה באמצעות טכנולוגיות ייצור קיימות. PTL כבר הדגימה רכיבי סיליקון פוטוניקה קריטיים הפועלים בביצועים שוברי שיא, כולל מאפננים ומפזרים המספקים קצבי נתונים של עד 40 Gbps.

כדי ליישם טכנולוגיית פוטוניקת מוליכים למחצה, נדרשים שישה רכיבים עיקריים:

• פוטונים פולטי לייזר;
• אפנן להמרת זרם של פוטונים לזרם מידע לשידור בין אלמנטים של פלטפורמת המחשוב;
• מוליכי גל, הפועלים כ"קווי שידור" להעברת פוטונים ליעדיהם, ומרבבים לשילוב או הפרדה של אותות אור;
• מארז, הכרחי במיוחד ליצירת טכנולוגיות הרכבה ופתרונות בעלות נמוכה שניתן להשתמש בהם בייצור המוני של מחשבים אישיים;
• דמודולטור לקליטת זרמי פוטונים הנושאים מידע והמרתם חזרה לזרם אלקטרונים, זמין לעיבוד על ידי מחשב;
• מעגלים אלקטרוניים לשליטה ברכיבים אלה.

סוגיית הטמעת כל רכיבי התקשורת האופטית הללו באמצעות טכנולוגיות מוליכים למחצה מוכרת כבעיית מחקר מרכזית, אשר פתרונה יוביל לפריצת דרך טכנית אדירה. PTL כבר קבעה מספר שיאי עולם על ידי פיתוח התקנים, מאפננים, מגברים ודמודולטורים בעלי ביצועים גבוהים המספקים קצבי נתונים של עד 40 Gbps. במהלך חמש השנים הקרובות, אינטל תנסה לשלב את הרכיבים הללו במוצרים בפועל.

בתחום הפוטוניקת מוליכים למחצה, אינטל כבר נכנסה למתחם הביתי. המחקר בתחום האינטגרציה של אלמנטים אופטיים כבר עבר משלב הפיתוח המדעי או הטכנולוגי לשלב יצירת מוצרים מסחריים. צוות המחקר מתמקד כעת בזיהוי היכולות והמפרטים לעיצוב מוצרים חדשניים המבוססים על טכנולוגיה מהפכנית זו. בסופו של דבר, צוותי אינטל יוצרים אבות טיפוס ועובדים בשיתוף פעולה הדוק עם צוותי פיתוח מוצרים כדי להאיץ את האימוץ של טכנולוגיה חדשה.

בנוסף לפעילויות שלה, אינטל מממנת כמה מהמחקרים המבטיחים ביותר בתחום זה מחוץ ל-CTG - במיוחד, היא משתפת פעולה עם אוניברסיטת קליפורניה בסנטה ברברה, המפתחת לייזר מוליכים למחצה היברידי. גם בוגרים מוכשרים מאוניברסיטאות שונות ממדינות אחרות עוברים התמחות במעבדת PTL.

חוקר האופטיקה הראשי של אינטל, ריצ'רד ג'ונס, אמר: "יש לנו שני אתגרים גדולים קדימה בפרויקט הלייזר ההיברידי לעתיד. ראשית, עלינו להעביר את מתקן ייצור פיילוט הלייזר ההיברידי מ-UCLA למפעל של אינטל. "שנית, עלינו לשלב לייזר היברידי, מאפנן מוליכים למחצה במהירות גבוהה ומרבב כדי להוכיח שאנחנו יכולים ליצור משדר אופטי יחיד המבוסס על טכנולוגיית ייצור תואמת CMOS."

הכנסת טכנולוגיות פוטוניקת סיליקון תהיה כרוכה בפיתוח תהליכי ייצור חדשים לייצור לייזרים בקנה מידה גבוה. ההצלחות של אינטל בתחום הפוטוניקה יאפשרו לה להתעלות משמעותית על מתחרים פוטנציאליים. מעבדת PTL כבר רשמה כ-150 פטנטים. הפרסומים היוקרתיים ביותר, כמו Nature, ציינו את ההישגים חסרי התקדים של מומחי אינטל. בנוסף, אינטל זכתה בפרס EE Times ACE לשנת 2007 עבור הטכנולוגיה החדשה והמבטיחה ביותר.

רודף אחרי פוטונים

בניגוד לתהליכי ייצור טרנזיסטורים מבוססים הקיימים שהוכחו במשך עשרות שנים, הטכנולוגיה ליצירת אלמנטים עבור פוטוניקת מוליכים למחצה היא חדשה לחלוטין. ישנן בעיות מסוימות בדרך ליישומו: אופטימיזציה של מכשירים, הגברת אמינות התכנון, פיתוח מתודולוגיית בדיקה, הבטחת יעילות אנרגטית ופיתוח התקנים תת-מיניאטוריים.

כדי שרכיבים חדשים ישמשו בפועל, על PTL להבטיח שהרכיבים האופטיים עומדים בקריטריוני האמינות הגבוהים במיוחד של תעשיית המחשוב. בתעשייה האופטית פותחו תקני אמינות מחמירים במשך עשרות שנים. בהתאם להם, נדרשים חודשים של בדיקות לפני תחילת ייצור המוני של מוצרים חדשים. אם מזוהות בעיות במהלך הבדיקות הארוכות הללו, תיקון שלהן ובדיקה חוזרת עלולים לעכב משמעותית את זמן היציאה לשוק של המוצר.

אחת הבעיות החשובות ביותר היא אופטימיזציה, מכיוון שמעבדת PTL מפתחת מכשירים אופטיים למחשוב המוני. בעוד שאין מוצרים דומים אחרים, תקנים או נקודות התייחסות אחרות, מהנדסים המפתחים תהליך טכנולוגי חדש מחפשים בעצמם פתרונות המתאימים בצורה הטובה ביותר לצרכים של יישומי מחשב.

נכון לעכשיו, קבוצת המחקר PTL, קטנה יחסית בסטנדרטים של פוטואלקטרוניקה, מעבירה בהדרגה את המיקוד שלה למסחור פתרונות פוטוניקה מוליכים למחצה ומצפה שאימוץ המוני של הטכנולוגיה המדהימה הזו יתחיל כבר ב-2010.

קבוצת מומחי אופטיקה מקבוצת Digital Enterprise (DEG), בראשות ויקטור קרוטול, מפתחת אפליקציות שיספקו את הבסיס לפיתוח טכנולוגיה חדשה. "אנו מאמינים שבאמצעות שליטה בתקשורת אופטית, מוצרי אינטל ימשיכו לציית לחוק מור", אומר קרוטל.

כאשר משתמשים בפוטונים, ולא באלקטרונים, להעברת מידע בין רכיבים של אותה פלטפורמת מחשוב ובין מערכות שונות, תתרחש מהפכת המחשבים הבאה. יצרני אלקטרוניקה מובילים ברחבי העולם כבר הצטרפו למירוץ הזה, המבקשים להשיג יתרון תחרותי. ניתן להשוות את משמעות הטכנולוגיה החדשה להמצאת המעגלים המשולבים. אינטל מובילה את הדרך במחקר זה ובפיתוח של רכיבים מבוססי פוטוניקה מוליכים למחצה.