RENDSZERINTEGRÁTOR
A KVANTUMINFORMATIKA KÜSZÖBÉN A fény kezelése a chipek között, a chipek belsejében Az Intel és más chipgyártó óriáscégek laboratóriumaiban már folynak a kísérletek, amelyek eredményeképpen a processzorok belsejében is fényt lehet használni adattovábbításra. A kutatók azt keresik, hogyan lehet az Intel és a többi gyártó szilíciumalapú CMOS technológiáját lézeres adatátvitelre is alkalmazni. Egyelőre azonban ennek a problémának a megoldása még messze van, először a chipek közötti optikai kapcsolatot lehet majd elérni. A lézerfényen alapuló jelkapcsolatok révén jelentős energiamegtakarítás érhető el. A másik nagy előny, hogy a rézvezetékekkel megvalósítható 20 GB/s adatsebesség helyett optikai jelátvitellel a 30 … 60 GB/s is elérhető. Mindenesetre a fejlődés egy következő lépése lehet olyan chipek létrehozása, melyeken elektronikus részletek és optikai adatátviteli utak szerepelnek. Egy ilyen eszköz felületén kell lézerdiódákat és fényérzékelő elemeket létrehozni. A különféle optikai chipek egyik nagy problémája a fényforrások (LED-ek, lézerek) és a szilícium áramkörök inkompatibilitása. Mint említettük, a LED-ek, lézerdiódák alapanyaga jelenleg a gallium-arzenid, nem a szilícium. A szilíciumlapka felületén gallium-arzenidből készült részegység mikroelektronikai gyártási lépésekkel nem hozható létre. Ez az integrált kivitel létrehozásának az egyik nagy nehézsége. A hagyományos GaAs lézereket csak úgy lehet szilíciumchipeken alkalmazni, ha az apró fénykeltőket önálló alkatrészként, külön legyártják, majd a félvezető felszínére ragasztják, s megoldják a chip többi eleméhez történő csatolásukat. Mindez azonban rontja az optikai chip működőképességét, hatásfokát, csökkenti az élettartamot és költségessé teszi a gyártást. A német Forschungszentrum Jülich és a svájci Paul Scherrer Intézet kutatóiból álló nemzetközi csoport, úgy tűnik, megoldást kínál erre a problémára. Germánium-ón (GeSn) lézert fejlesztettek ki, amelyet a szilíciumlapka felületére növesztett vékony, tiszta germániumrétegen lehet kialakítani. Az új lézer működését a több mint 10% óntartalom teszi lehetővé. Az azonnali alkalmazást azonban meggátolja, hogy a kísérleti elrendezést legalább –183 °C-ra
le kell hűteni, csak így lép fel a lézerhatás. (Természetesen az a kutatócsoport legközelebbi célja, hogy szobahőmérsékleten működő GeSn lézert hozzanak létre.) Ha nem is a processzorokban, de egyszerűbb áramkörökben már sikerült a GaAs optikai elemek és a szilícium-áramkör házasítása (Silicon Fotonics, szilícium-fotonika áramkörök). Az Intel forgalmaz nagy sebességű optikai-elektromos átalakítókat: pl. a 100 G PSM adó/ vevő (191. ábra) integrált optikai/CMOS áramkör. A vevőnél a fénykábel jelének vételére szolgáló fényérzékelő, az adónál a kábelt megvilágító lézer optikai részletei, a jelfeldolgozást végző CMOS áramköri részletek integrált kivitelben egyetlen chipként készülnek. Az adó/vevő egységek kihasználják azt, hogy a fénysugarak egymást nem befolyásolják, így egyidejűleg 2 vagy 4 jelet is továbbítanak ugyanazon az optikai szálon, akár két irányban is.
(20. RÉSZ)
Az Intellel egyidejűleg a Luxtera Inc. (a Cisco Systems leányvállalata, Carlsbad, California, USA) is fejlesztett szilícium CMOS és optikai egységek integrálásával készülő készülékeket és chipeket, sőt, első interfészegységei hamarabb kerültek piacra, mint az Intel termékei. A Luxtera már demonstrációs chipeket is tervezett a CMOS/optikai hibrid megoldással (192. ábra). Igaz, a Luxtera nem termelőcég, megtervezett eszközeit a Freescale Semiconductor kivitelezi.
Egy érdekes és fontos részletkérdés a chipen alkalmazott fénykapcsolatok kivitelezése során az, hogy a fényutakban erős törések, derékszögű hajlatok nem alkalmazhatóak. A fény ugyanis gyakorlatilag egyenes mentén terjed, a meghajlított útvonal sarokpontjainál fényszórás, intenzitásvesztés alakul ki. Nagy méretű elrendezésekben megoldható a derékszögű fényvezetés, de az ott alkalmazott megoldások a chipeken nem kivitelezhetőek. A Duke University magánegyetem (Durham, Észak-Karolina) kutatói jelentették be 2018-ban, hogy különleges fotonikus kristályok alkalmazásával a mikrochipek méretvilágában is képesek a fényt akár derékszögben meghajló pályán vezetni, jelentős veszteség, szóródás nélkül. A következő feladat az új megoldású fényvezető integrálása a szilíciumchipek felületére. Az optikai chipek kialakításához használható fénytranzisztorok egyik lehetséges megoldása olyan különleges kristályszerkezet létrehozása, amely bizonyos hullámhosszúságú fény terjedését meggátolja. Ez a viselkedés analóg a félvezetők tiltott sávjának hatásával, ami bizonyos energiaszintű elektronáramlást meggátol. Az analógiát kihasználva, lehetségesnek látszik optikai tranzisztor építése, de egyelőre ez a kristályfelépítés csak elméletben létezik. Különleges felfedezést tettek a közelmúltban a Utah Egyetem (Salt Lake City, Utah, USA) kutatói. Egy Brazíliában honos ormányos bogár, a csillogó, zöld páncélt viselő Lamprocyphus augustus (193. ábra) különleges fényű megjelenését kitinpáncéljának sajátos, háromdimenziós optikai szerkezetével éri el, ezzel eredményezi az irizáló zöld hatást. És éppen ez az optikai szerkezet alkalmas az optikai „tiltott sáv” létrehozására.
192. ábra. Luxteria szilícium/optikai chip
193. ábra. Irizáló ormányos bogár
191. ábra. Intel 100G adó/vevô
WWW.ELEKTRO-NET.HU 33
