211service.com
„Intel“ proveržis
Moore'o įstatymas, kuris šį pavasarį atšventė 40 metų jubiliejų, buvo didžiausias puslaidininkių pramonės palaiminimas. 1965 metais „Intel“ įkūrėjas Gordonas Moore'as prognozavo, kad tranzistorių skaičius kompiuterio luste padvigubės kas dvejus metus. Tuo metu mikroschemoje buvo vos kelios dešimtys tranzistorių. Šiandien „Intel“ aukščiausios klasės mikroschema turi daugiau nei 1,7 milijardo tranzistorių, ir tikimasi, kad iki 2012 m. šis skaičius viršys 10 milijardų. Šis pastovus keturių dešimtmečių žygis paskatino šiuolaikinių kompiuterių revoliuciją ir pavertė „Intel“ technologijų jėgaine.
Tačiau galimybė į lustus sudėti vis daugiau tranzistorių ir kitų grandinių paaštrina daugybę problemų, kurios, jei jos taps pakankamai rimtos, gali kelti grėsmę esamos siliciu pagrįstos skaitmeninės ekonomikos augimui. Tik kelios probleminės vietos: šilumos kaupimasis, elektros srovės nutekėjimas iš grandinių, elektros perdavimas tarp gretimų laidų. Pavyzdžiui, naujausi staliniams kompiuteriams skirti procesoriai sunaudoja 100 vatų energijos. Nešiojamųjų kompiuterių procesoriai paprastai yra efektyvesni, nes jie skirti maksimaliai pailginti baterijos veikimo laiką. Tačiau net ir dabar jie sunaudoja net 75 vatus. Tai panašu į skrudintuvą ant kelių, sako Patas Gelsingeris, „Intel“ vyresnysis viceprezidentas. Vienas iš pataisymų, kuris, kaip tikimasi, bus plačiai paplitęs, yra padidinti lusto tranzistorių skaičių ne sumažinant juos, o tiesiog du ar daugiau kartų nuleidžiant tą patį grandinės modelį ant tos pačios silicio plokštės. „Intel“ šį pavasarį išleido pirmuosius tokius dviejų branduolių lustus. „Intel“ vadovai numato daugelio pagrindinių lustų ateitį su iki tūkstančio procesorių greta.
Bet yra trintis. Variniai laidai, perduodantys skaitmeninį srautą vienas smėlis 0 s į kompiuterį ir iš jo bei tarp kai kurių kompiuterių procesorių gali taip greitai perkelti tik tiek duomenų. Jei padvigubinu [procesoriaus] našumą, turiu padvigubinti našumą luste ir be jo, sako Gelsingeris. Varis, mūsų tradicinė sujungimo technologija, senka.
Problema ta, kad varine viela sklindantys elektros impulsai susiduria su elektrine varža, kuri pablogina jų perduodamą informaciją. Dėl to per varį keliaujantys duomenų bitai turi būti pakankamai toli vienas nuo kito ir judėti pakankamai lėtai, kad kitame laido gale esantys įrenginiai galėtų juos paimti. Šis apribojimas jau sukelia duomenų srauto kamščius vietiniuose tinkluose, kuriuose kompiuteriams prijungti naudojami variniai laidai. Ir daugelis ekspertų prognozuoja, kad tai sukurs kliūtis duomenų srautui tarp kelių procesorių atskiruose kompiuteriuose. Išvada yra tokia, kad net jei Moore'o dėsnis ir toliau galios, kompiuteriai nebegalės pasinaudoti padidinta jų tiekiama galia, nes jie negalės pakankamai greitai perkelti duomenų į lustus ir iš jų, kad neatsiliktų nuo procesorių. . Tai esminis iššūkis: kompiuteriai turi rasti greitesnį būdą dideliam duomenų kiekiui perkelti tiek lustuose, tiek tarp jų.
Įveskite silicio lazerį. Optinės jungtys gali perduoti tūkstančius kartų daugiau duomenų per sekundę nei variniai laidai. Tačiau esami optiniai komponentai, pagaminti iš tokių egzotiškų puslaidininkių kaip galio arsenidas ir indžio fosfidas, yra per brangūs naudoti atskiruose kompiuteriuose ar net vietiniuose tinkluose. Jei galėtumėte pagaminti optinius įrenginius iš silicio, kuris yra pigus ir, bent jau tokiai kompanijai kaip „Intel“, lengvai pagaminamas, viskas pasikeistų. Perėjimas prie silicio optikos suteiktų naują pagrindinę silicio lustų galimybę: galimybę manipuliuoti ir reaguoti į šviesą. Tikėtina, kad įmonės pirmiausia išnaudotų šią galimybę, pakeisdamos varines jungtis optinėmis jungtimis tinkluose. Tačiau galiausiai silicio fotonika taip pat gali pakeisti varinius laidus tarp procesorių viename luste. Lustų dizaineriai taip pat numatė naudoti silicio optiką vidiniuose laikrodžiuose, kuriuos mikroprocesoriai naudoja instrukcijoms vykdyti, smarkiai padidindami laikrodžio greitį, taigi ir skaičiavimo greitį.
Iki šiol visos šios spėlionės apie silicio optikos potencialą buvo hipotetinės: tinkamų silicio lazerių nebuvo. Tačiau viskas pasikeitė praėjusią žiemą, kai „Intel“ mokslininko Mario Paniccia laboratorija pranešė apie pirmąjį nepertraukiamą viso silicio lazerį. Sukurtas taikant tuos pačius gamybos metodus, kuriais gaminami silicio lustai, eksperimentinis prietaisas pasirodė esąs pastovus infraraudonųjų spindulių fotonų srautas – pasiekimas, kurio daugelis tyrinėtojų manė neįmanomu silicyje.
Silicio fotonikai dar ankstyvos dienos. Tačiau „Intel“ rezultatas, paremtas išvadomis, paskelbtomis per praėjusius metus daugybėje straipsnių, kuriuose aprašoma silicio pagrindu pagamintų optinių komponentų pažanga, įtikina daugelį ekspertų, kad gali būti praktiška glaudžiai susieti optines ir elektronines technologijas kompiuterių lygiu. Paniccia komandos padaryta pažanga buvo nuostabi, sako Grahamas Reedas, Silicio fotonikos pradininkas iš Surėjaus universiteto Anglijoje. Dabar visi skeptikai pradeda tikėti, kad silicis turės realią įtaką optikai.
Numatoma silicio technologijos pažanga beveik neabejotinai išlaikys Moore'o dėsnį artimiausioje ateityje ir sukurs vis greitesnius kompiuterius. Greitai įvedant milžiniškus duomenų kiekius į lustus ir iš jų bei tarp mašinų, silicio fotonika gali padėti žmonėms pasiekti šią didžiulę skaičiavimo galią.
Šlykštus emiteris
Optinės skaidulos sudaro tolimųjų telekomunikacijų tinklų pagrindą ir daugiausia lemia interneto greitį. Tačiau optiniai komponentai nėra pigūs. Norint optiškai siųsti ir priimti duomenis, reikalingas lazeris, sukuriantis šviesos spindulį; moduliatorius, kuris susmulkina tą spindulį į įjungimo/išjungimo serijas, vaizduojančias skaitmeninį vienas smėlis 0 s; bangolaidžiai, nukreipiantys šviesą per lustus; ir fotodetektoriai, kurie fiksuoja šviesą ir paverčia ją atgal į elektroninį signalą. Šiuo metu šie įrenginiai nėra pagaminti iš silicio ir kainuoja tūkstančius dolerių. Telekomunikacijų paslaugų teikėjai gali sau leisti tokias kainas, tačiau norint, kad technologija būtų įmanoma duomenims perkelti kompiuteryje, kainos sumažinamos dydžiu.
Silicis gali būti atsakymas. Silicis mums gal ir nėra religinė patirtis, bet gana artima, sako Gelsingeris. Silicis pasirodė esąs ekonomiškas, keičiamo dydžio, patvarus, gaminamas ir turi daug kitų nuostabių savybių. Fotoninės dalys, pagamintos iš silicio, padarytų optiką įperkamesnę ir praplėstų naudojimo galimybes. Šiandien optika yra nišinė technologija. Rytoj tai bus pagrindinė kiekvieno mūsų kuriamo lusto dalis, sako Gelsingeris.
Dar maždaug prieš metus atrodė, kad silicis niekada neturės reikšmingo vaidmens optikoje. Silicis nėra pati geriausia optinė medžiaga, aiškina Reedas. Vienas iš akivaizdžiausių jo trūkumų yra tai, kad jis yra blogas šviesos skleidėjas. Kai elektronai silicyje yra sužadinami, užuot išlaisvinę fotonus, jie sukelia silicio kristalų gardelės vibraciją. Rezultatas – šiluma, o ne šviesa. Priešingai, puslaidininkiai, tokie kaip galio arsenidas ir indžio fosfidas, skleidžia šviesą elektra sužadinti. Taigi, nors tyrėjus daugelį metų žavėjo optinio lusto perspektyvos, buvo sutariama, kad silicis nėra tinkama medžiaga jį kurti.
Tada, dešimtojo dešimtmečio pabaigoje, mokslininkai pranešė apie daugybę vilčių teikiančių, nors ir išankstinių, silicio optikos pažangos (žr. Technologijų apžvalga, 2001 m. birželis ). „Intel“ Paniccia komandos pasiekta pažanga įtikino vadovus patobulinti bendrovės silicio fotonikos programą. Pirmasis „Intel“ proveržis įvyko 2004 m. vasario mėn., kai žurnale apie tai pranešė Paniccia Gamta kad jo grupė sukūrė silicio moduliatorių, galintį paversti pastovų lazerio šviesos srautą į greitus skaitmeninius 1s ir 0s impulsus vieno milijardo hercų arba vieno gigaherco greičiu, o tai 50 kartų daugiau nei ankstesnis eksperimentiškai parodytas rekordas. siliciui. Tačiau jis vis tiek nebuvo pakankamai greitas, sako Reedas. Tada šį pavasarį „Intel“ tyrėjai, vadovaujami medžiagų mokslininko Ling Liao, pranešė apie silicio moduliatorių, kuris veikia 10 gigahercų dažniu, maždaug lygiaverčiu kitiems optiniams moduliatoriams.
Tačiau esminis silicio-fotoninis komponentas vis tiek buvo lazeris. Praėjusį rugsėjį keturios atskiros grupės, įskaitant Paniccia's, pranešė apie silicio lazerius, skleidžiančius staccato šviesos impulsus. Kadangi silicis prastai paverčia elektros krūvius šviesa, visi šie silicio lazeriai naudojo išorinius lazerius kaip energijos šaltinius. Kaip ir visi lustiniai lazeriai, silicio lazeriai veikia konvertuodami energiją – šiuo atveju fotonus iš kito šviesos šaltinio – į fotonų pliūpsnį, kurio bangos ilgis ir fazė iš esmės yra vienodi. „Intel“ mokslininkai panaudojo seniai žinomą principą, vadinamą Ramano efektu, kai fotonai įgauna energijos susidūrę su vibruojančiais atomais.
Tačiau impulsiniai lazeriai nėra puikūs duomenims perduoti. Optikos inžinieriai teikia pirmenybę nuolatiniams lazeriams, kuriuos jie gali pjaustyti ir supjaustyti moduliatoriais, kad sukurtų duomenų signalus. Tačiau visos grupės kovojo su ta pačia problema. Padidinus nuolatinės lazerio šviesos kiekį, kurį jie tiekia į silicio lustus, taip pat padidėjo tikimybė, kad įeinančių fotonų poros tuo pačiu metu atsitrenks į vieną silicio atomą. Kai tai atsitiko, silicio atomai išmetė elektronus iš savo atominių orbitų, o mobilieji krūviai aistringai suvalgė fotonus. Įeinantis lazeris turėjo būti impulsuojamas, kad elektronai suteiktų milijonines sekundžių, kurių jiems prireikė atiduoti energijos perteklių ir atsipalaiduoti atgal į ramybės būseną.
Paniccia komanda pateikė puikų ir konceptualiai paprastą tiems, kurie susipažinę su silicio technologija, atsakymą. „Intel“ lazeriniame luste buvo išgraviruotas silicio bangolaidžio kanalas, kuriame šviesa šoktelėjo pirmyn ir atgal, stiprėdama. Mokslininkai implantavo elektrodus abiejose kanalo pusėse. Kai jie įjungė įtampą tarp elektrodų, jis sukūrė elektrinį lauką, kuris nukreipė neigiamai įkrautus elektronus link teigiamai įkrauto elektrodo, efektyviai pašalindamas juos iš kelio. Dėl to fotonai galėjo netrukdomai kauptis, kol sukūrė nenutrūkstamą lazerio spindulį.
Praėjusią žiemą, likus trims dienoms iki Kalėdų, Paniccia kolegos Haishengas Rongas ir Richardas Jonesas pamatė pirmąjį požymį, kad strategija veikia: optinio spektro analizatoriaus ekrane buvo rodoma linija, rodanti, kad lazerio sukurti infraraudonieji fotonai išsiskiria pastovus srautas.
Viduje
„Intel“ mokslininkai vis dar turi rasti būdų, kaip gaminti silicio lazerius kartu su elektroniniais komponentais ant lustų. Elektroninės grandinės sukuriamos kruopštaus dešimčių medžiagų sluoksnių klojimo ir ėsdinimo proceso metu. Kai kuriems iš šių veiksmų reikia aukštesnės nei 1 000 °C temperatūros arba šarminių cheminių medžiagų poveikio. Taigi „Intel“ inžinieriai turės užtikrinti, kad veiksmai, kurių reikia norint sukurti optinius įrenginius, nepablogintų elektroninės grandinės ir atvirkščiai.
Pirmą kartą pademonstruodama silicio fotonikos naudingumą, Paniccia vėliau šiais metais planuoja į silicio gabalą integruoti kelis moduliatorius ir kitus optinius komponentus; ši sąranka turėtų užtikrinti 100 gigabitų per sekundę duomenų perdavimo greitį. Toks prototipas, tikisi Paniccia, parodys silicio fotonikos galimybes perkelti duomenis į lustus ir iš jų daug efektyviau nei bet kas šiuo metu rinkoje.
Šį pavasarį eidamas po vieną iš savo naujai atnaujintų laboratorijų, Paniccia pademonstravo optinio eterneto kabelio, kuriame būtų naudojama silicio fotonika, maketą. Nors Paniccia paprastai išlaiko kuklų ir kruopštų mokslininko elgesį, akivaizdu, kad jam patinka naudoti rekvizitą, kad galėtų parduoti savo viziją apie naują silicio vaidmenį. Spagečių juosteles plono laido gale yra jungtis, primenanti telefono laido galą, su metalinėmis pagalvėlėmis, esančiomis po mažais plyšiais silicio apvalkale. Funkcinėje kabelio versijoje elektriniai signalai nukeliautų iš kompiuterio lusto per tas metalines trinkeles į silicio fotoninį lustą mažytėje jungtyje, kur jie būtų paverčiami šviesos impulsų srautu.
Nors išoriškai kabelis primena pažįstamą technologiją, pridėjus pigią silicio fotoniką, kompiuteriai suteiktų precedento neturintį greitį ir galią. Ir tai leistų „Intel“ pridėti savo garsųjį „Intel“ prekės ženklo logotipą prie dar vienos transformuojančios technologijos. Suvokti tą viziją nebus lengva. Vis dėlto Paniccia įsitikinusi, kad tai įvyks. Ar mes galime tai padaryti, nebekyla klausimų. Tai kada ir kaip. Tai buvo pasikeitimas per pastaruosius metus. O kai kris paskutinis techninis barjeras, anot jo, silicio fotonika bus visur.
Robertas Service yra Portlande, OR gyvenantis rašytojas, nagrinėjantis chemiją ir medžiagų mokslą Mokslas.