SNIPER: светлое будущее кремниевой нанофотоники

Автор: Евгений Лебеденко, Mobi.ru

Опубликовано 28 июля 2011 года

Глядя на недавний анонс "железных" новинок от Apple, так и хочется сказать, что новые технологии словно тропическая зелень: ещё вчера был маленький чахлый побег, а сегодня уже мощная лиана, глубоко пустившая корни и крепко охватившая своими побегами рыночный ствол вычислительной техники.

Появление первых "маков" с интерфейсом Thunderbolt было воспринято с любопытством, но не более того. Также в своё время рынок смотрел на диковинный порт FireWire в ноутбуках Apple PowerBook 3G.

Последовавшее за этим включение Thunderbolt, совмещённого с Display Port, практически во всю вычислительную технику Apple заставило производителей периферии серьёзно задуматься о поддержке этой технологии. Благо новый контроллер, разработанный компанией Intel, одновременно поддерживает и "удар грома", и спецификацию USB 3.0. И если с последним интерфейсом всё ясно, то вот Thunderbolt полон загадок. Каких?

Ну, например, из серии "Что в имени тебе моём?". Ведь Thunderbolt - это рыночное наименование исследовательской технологии Intel Light Peak, где ключевым словом является light - свет. Те десять гигабит в секунду, которые сейчас предлагает потребителю Thunderbolt, передавая данные по медным проводам на расстояние до трёх метров, - воистину цветочки в сравнении с пятьюдесятью гигабитами в секунду, которые Light Peak обеспечивает по оптическому кабелю на сотню метров.

Появление оптического варианта Thunderbolt - дело недалёкого будущего. Будущего, в котором, наряду с привычной нам микроэлектроникой, помогать обрабатывать данные начнёт "царица света" - фотоника.

О том, как в Intel используют фотонику в технологии высокоскоростного обмена данными Silicon Photonics Link, можно прочесть в статье "Скачать за секунду: достижения кремниевой фотоники".

Решения Intel на базе кремниевой фотоники обеспечат пятьдесят гигабит в секунду пропускной способности интерфейса компьютера с периферией

Пришло время посмотреть на компоненты систем на основе кремниевой фотоники детальнее. Систем, потому что решения Intel - далеко не единственные. И, что самое главное, сегодня это уже не просто лабораторные экзерсисы. Кремниевая фотоника обзавелась всеми необходимыми возможностями и вполне готова плодотворно сотрудничать с имеющимися микроэлектронными решениями.

Примером такого сотрудничества может служить герой нынешнего материала - проект компании IBM с метким названием SNIPER (Silicon Nano-Scale Integrated Photonic and Electronic Transceiver).

Способна ли фотоника полностью заменить электронику в микросхемотехнике? Наверное, нет. Распространение света основывается на законах оптики, что вносит существенные ограничения в разработку таких базовых компонентов, как транзисторы, конденсаторы и диоды. Нет, попытки разработать оптические аналоги транзистора предпринимались достаточно давно, да и сегодня они не прекращаются. Только вот составить конкуренцию отработанной технологии КМОП они не могут.

Схема фотонного транзистора была предложена ещё в восьмидесятых годах прошлого столетия

В чём фотоника действительно преуспевает, так это в реализации высокоскоростных каналов, связывающих компоненты цифровых схем. То есть в тех местах, где электроника начинает всё активнее буксовать. Увеличение степени интеграции компонентов микросхем сказывается на размерах соединяющих их металлических проводников. С переходом на двадцатидвухнанометровый технологический процесс производства КМОП инженеры столкнулись с проблемой переходных явлений в миниатюрных медных шинах. Явления эти способны легко привести к ошибкам в работе сложного вычислительного комплекса, плотно упакованного в кремниевый чип.

Использование фотоники в качестве коммуникационной среды микросхем позволяет технологам одновременно избавить новые чипы от влияния переходных процессов в медных проводниках и существенно снизить нагрев микросхемы. В отличие от непродуктивно превращающих свою энергию в тепло электронов, фотоны, продвигаясь по оптическому проводнику, совершенно не рассеивают тепло.

Итак, компромиссным решением является комбинация электроники и фотоники. За электроникой остаётся основа цифровой схемотехники, а фотоника берёт на себя роль универсальной проводящей среды.

Что же для такой среды нужно? В первую очередь источник фотонов - лазер. Далее - проводящая среда, по которой фотоны смогут распространяться внутри микросхем, - волноводы. Чтобы нули и единицы, сформированные электронными компонентами, превратились в световой поток, и для обратного преобразования потребуются модуляторы и демодуляторы, но, конечно же, не простые, а оптические.

Ну и, чтобы добиться высокой пропускной способности, необходимой каналам нынешних интегральных микросхем, потребуются мультиплексоры и демультиплексоры (тоже, конечно, оптические). Причём все эти компоненты необходимо реализовать на той же самой кремниевой базе, которая используется и для технологии КМОП.

Разработка этих "кирпичиков" - путь, которым шла кремниевая фотоника последние двадцать лет. За это время была предложена масса уникальных решений, которые и явились той самой "суммой технологий", позволяющей фотонике перейти на качественно новый уровень. Уровень интегрированных оптико-электронных схем.

Вообще-то словосочетание "кремниевый лазер" - это оксюморон. Являясь так называемым непрямозонным полупроводником, кремний совершенно не способен излучать свет. Вот почему в оптоволоконных телекоммуникациях используются решения на основе других (прямозонных) полупроводников, например арсенида галлия. При этом кремний отлично подходит для создания волноводов и детектирования оптических сигналов в электрические.

Так в чём же проблема? Можно использовать внешний по отношению к кремниевой схеме лазер или же разработать гибридную схему на основе кремния и, например, того же арсенида галлия. Но ни то ни другое решение нельзя считать эффективным. В случае использования внешнего лазера (а в современных волоконно-оптических системах макроуровня так и делается) на микроуровне практически невозможно точно откалибровать луч по отношению к волноводу нанометровых размеров. Включение же арсенида галлия в технологический процесс производства чипов КМОП потерпело неудачу. Слишком разные условия для производства нужны этим двум полупроводникам.

Так что же, кремниевому лазеру никогда не увидеть (точнее, не испустить) свет? Конечно же, нет. Кремний можно заставить светить, если применить различные хитрости. Например, легировать его материалом, который будет испускать фотоны за кремний. Или так изменить структуру самого кремния, что он вынужден будет засветиться. Третий способ - применить комбинационное рассеяние света (его ещё называют рамановским), временно превращающее кремний в практически прямозонный полупроводник.

Один из способов заставить кремний светиться - создать пористую кремниевую структуру

Схема и микрофотография лазера на основе рамановского рассеяния

В настоящее время наибольших успехов учёные добились в области технологий легирования кремния. Самая известная реализация кремниевого лазера непрерывного действия на их основе - лазер, разработанный компанией Intel совместно с Калифорнийским университетом Санта-Барбары. Учёным удалось с помощью окиси "приклеить" прямозонный полупроводник фосфид индия к кремниевому волноводу. Толщина "клея" при этом составляет всего 25 атомов. Создавая разность потенциалов между кремнием и фосфидом индия (это называется "электрическая накачка"), они добились формирования фотонов, которые через "клей" проникают в кремниевый волновод.

Схема схема гибридного кремниевого лазера непрерывного действия

На основе такой схемы создаются варианты гибридного кремниевого лазера с разной длиной волны (инфракрасного диапазона, прозрачного для кремния), что позволяет реализовать многоканальную коммуникационную систему.

Испускаемый кремниевым лазером поток фотонов можно представить как несущую частоту, которую требуется модулировать двоичным сигналом.

Оптические модуляторы считались невозможными до тех пор, пока учёные не решили использовать явление интерференции света. В общем виде модулированный оптический сигнал можно получить путём интерференции опорного пучка света и пучка, прошедшего через материал, изменяющий показатель преломления под воздействием электрического тока (так называемый электрооптический эффект). К сожалению, кремний и здесь подкачал - его симметричная кристаллическая решётка не позволяет реализовать электрооптический эффект. На помощь вновь пришло легирование.

Учёные раздвоили кремниевый волновод и нарастили на одном из его плеч слой нитрида кремния, который растянул кристаллическую решётку кремния. Приложение к этому участку напряжения приводит к преломлению света в этом плече волновода. При этом в другом плече этот же поток распространяется без искажения.

Микрофотография участка плеча преломления света в модуляторе Маха-Цендера

Реализация всего модулятора Маха-Цендера и его варианты.

Объединение этих потоков на выходе приводит к их интерференции, при этом выходной поток будет модулироваться приложением напряжения к плечу волновода с нитридом кремния. Изобретать велосипед учёным не пришлось. Подобный эффект широко применяется в интерферометрах Маха-Цендера. Поэтому кремниевые модуляторы и демодуляторы назвали точно так же.

Множество модулированных световых потоков от множества лазеров с разной длиной волны может существенно повысить пропускную способность коммуникационного канала за счёт распараллеливания передачи данных. Но как это множество потоков объединить в один? Да ещё и таким образом, чтобы на выходе полученный суммарный поток снова можно было разделить. Здесь на помощь придут мультиплексоры. Оптические, естественно.

Идея оптического мультиплексора на основе массива волноводов (AWG)

Микрофотография AWG-мультиплексора

Оптический мультиплексор на основе каскада модуляторов Маха-Цендера

В настоящее время предложена технология микроминиатюрного мультиплексирования света путём его спектрального уплотнения (WDM - Wavelengths Division Multiplexing). Чаще всего для её реализации используют дифракционную структуру на основе массива волноводов и зеркал (AWG - Arrayed Waveguide Grating), в которой каждый пучок света движется по собственному волноводу, искривлённому в соответствии с его длиной волны. Смыкаясь, эти волноводы и дают результирующий спектрально-уплотнённый поток. Другим распространённым решением является использование каскада уже известных нам модулятров Маха-Цендера.

Решения в области кремниевой фотоники, предложенные компанией Intel, направлены на продвижение фотонных технологий в области интерфейсов периферийных устройств. Ближайшей коммерческой перспективой является пятидесятигигабитный оптический вариант интерфейса Thunderbolt (возможно, к моменту промышленной реализации его назовут по-другому). В более отдалённой перспективе Intel рассматривает увеличение пропускной способности до двухсот гигабит в секунду. Сказать, что это быстро, значит не сказать ничего: например, содержимое диска DVD при такой скорости может быть передано за одну секунду.

Точно такую же цель поставила перед собой лаборатория IBM Research. Поставила и добилась! Правда, использовать свой терабит IBM планирует не в коммуникационных интерфейсах, а в высокоскоростных шинах, соединяющих ядра многоядерного процессора.

Межядерная коммуникация на основе кремниевой фотоники

Идея проекта SNIPER от IBM Research (синим цветом показана фотонная часть схемы)

Проект SNIPER является практической реализацией идеи нанофотоники, использующей рассмотренные выше "строительные блоки" для создания фотонной коммуникационной сети. Эта фотонная сеть интегрирована поверх многослойного "пирога" системы на чипе, включающем многопроцессорный модуль и модуль оперативной памяти. Имея выходы наружу, такая сеть обеспечивает подключение этой системы на чипе к высокоскоростной оптической шине данных, соединяющей процессор с периферией. Внутренняя же волноводная разводка обеспечивает маршрутизацию данных между ядрами процессорного модуля.

Шестиканальный фотонный модуль проекта SNIPER

В настоящее время проект SNIPER может похвастаться реализацией шестиканального модуля фотонного приёмо-передатчика, использующего гибридные кремниевые лазеры, модуляторы Маха-Цендера и мультиплексор на основе массива волноводов. Пропускная способность каждого канала этого приёмо-передатчика составляет двадцать гигабит в секунду. На подложке размером 25 квадратных миллиметров реализовано пятьдесят таких каналов, что обеспечивает тот самый терабит пропускной способности.

Фотонный чип проекта SNIPER, обеспечивающий терабитную пропускную способность

Что самое главное, SNIPER - уже не исследовательский проект. Библиотеки всех элементов фотоники для кремниевой литографии отработаны для производственного цикла. Как и методика их интеграции с КМОП-логикой системы на чипе.

Где в первую очередь будет применяться это решение? Конечно же, в суперкомпьютерных системах и датацентрах облачных вычислений. Там, где вычислительная мощность электронных схем больше всего нуждается в обмене данными со скоростью света.

Однако можно быть уверенным, что экспансия кремниевой фотоники в потребительскую вычислительную технику не за горами. Начнётся всё с интерфейсов подключения периферии, а там, глядишь, и шины для мультиядерных решений подтянутся, превратив скучный кремний внутри наших процессоров в сверкающий всеми цветами спектра магический кристалл.