Интеграция фотоники с электроникой в одном корпусе — это транзистор 21-го века.
Устройство MIT в зеленой выноске может стать ключом к более быстрой и энергоэффективной передаче данных. Он решает основную проблему, связанную с упаковкой электрического чипа (черный, в центре) фотонными чипами (восемь окружающих квадратов). На этом изображении также показан автоматизированный инструмент, устанавливающий окончательный фотонный чип на место.
Будущее цифровых вычислений и коммуникаций будет включать в себя как электронику (манипулирование данными с помощью электричества), так и фотонику или то же самое со светом. Вместе эти два фактора могут обеспечить экспоненциально больший трафик данных по всему миру, что также является более энергоэффективным процессом.
«Суть в том, что интеграция фотоники с электроникой в одном корпусе — это транзистор 21-го века. Если мы не сможем понять, как это сделать, то мы не сможем масштабироваться вперед», — говорит Лайонел Кимерлинг, профессор материаловедения и инженерии Томаса Лорда в Массачусетском технологическом институте и директор Центра микрофотоники Массачусетского технологического института.
На сцену выходит FUTUR-IC, новая исследовательская группа, базирующаяся в Массачусетском технологическом институте. «Наша цель — создать ресурсосберегающую производственно-сбытовую цепочку в отрасли микрочипов», — говорит Ану Агарвал, руководитель FUTUR-IC и главный научный сотрудник Лаборатории исследования материалов (MRL).
Теперь исследователи FUTUR-IC, включая Агарвала и Кимерлинга, разработали новый способ совместной упаковки фотонных чипов с их электронными аналогами, который решает несколько проблем, связанных с текущим процессом совместной упаковки. Одним из преимуществ является то, что недавно разработанное сокорпусное устройство может быть изготовлено с использованием существующего оборудования на традиционных заводах по производству электроники с менее дорогостоящим процессом пассивного выравнивания. В результате решение MIT обещает быть экономически эффективным.
Статья об устройстве, которое запатентовано, была размещена на обложке журнала Advanced Engineering Materials в начале этого года. Осенью прошлого года еще один доклад о работе был представлен ведущим автором Дрю Венингером на 57-м Международном симпозиуме по микроэлектронике. Венингер, аспирант кафедры материаловедения и инженерии (DMSE), получил награду за лучшую студенческую работу на этом мероприятии.
Помимо Венингера, Кимерлинга и Агарвала, авторами статьи являются Сэмюэль Серна из Бриджуотерского государственного университета и Луиджи Ранно, аспирант DMSE.
На пути к ресурсосберегающей индустрии микрочипов
Подумайте о следующем: по словам Кимерлинга, в 2020 году количество сотовых телефонов, GPS и других устройств, подключенных к «облаку» или крупным дата-центрам, превысит 50 миллиардов. А трафик дата-центров, в свою очередь, масштабируется в 1000 раз каждые 10 лет.
Это общение потребляет энергию. И «все это должно происходить при постоянных затратах на энергию, потому что валовой внутренний продукт не меняется с такой скоростью», — говорит Кимерлинг, который также связан с MRL. Решение состоит в том, чтобы либо производить больше энергии, либо сделать информационные технологии более энергоэффективными.
Интеграция фотоники с электроникой, лежащей в основе современных микрочипов, может решить последнюю проблему, потому что передача или коммуникация данных с помощью света гораздо более энергоэффективна. «Наша мантра заключается в том, чтобы использовать электронику для вычислений и фотонику для связи, чтобы взять этот энергетический кризис под контроль», — говорит Агарвал.
Однако это решение сопряжено со своими проблемами.
Например, в настоящее время сложно и дорого соединить электронные чипы с их фотонными аналогами в одном корпусе. Это связано с тем, что оптическое волокно, диаметр ядра которого составляет десять микрометров (десять миллионных метра), и фотонный чип, который имеет размеры поперечного сечения всего две десятых на пять десятых микрометра, должны быть выровнены почти идеально, иначе свет рассеется. В результате сегодня каждое соединение необходимо активно тестировать лазером, чтобы убедиться, что свет будет проходить.
«И количество волокон, которые нам понадобятся для более эффективной передачи данных, растет в геометрической прогрессии, поэтому этот активный процесс выравнивания не помешает масштабированию вперед», — сказал Венингер.
Больше пространства для маневра
Новое устройство, получившее название «мимолетный ответвитель», дает гораздо больше пространства для маневра для соединения волокон в электронно-фотонном корпусе. «Обычные муфты имеют одну точку соединения, что делает допуски на выравнивание очень жесткими. Но наша новая муфта имеет гораздо большую длину взаимодействия, что увеличивает допуск выравнивания», — говорит Агарвал. В результате, роботы могут пассивно собирать получившиеся интегральные схемы, позволяя пропускать больше света без потерь (активная лазерная юстировка не требуется).
Еще одно ключевое нововведение: соединитель «позволяет нам передавать свет вертикально» между несколькими слоями микросхем, которые составляют целое, говорит Ранно. Это само по себе является важным достижением, потому что трудно направить свет из горизонтальной плоскости.
«В электронике все очень просто. Электроны могут легко вытекать из плоскости», — говорит Венингер. В противоположность этому, «свет никогда не хочет брать прямые углы». Новая муфта позволяет свету совершать прыжок между сложенными фишками.
Ранно заключает: «Мы разработали конструкцию упаковки [для интеграции фотоники с электроникой], которая надежна, имеет больший допуск на юстировку, не теряет много света и не тратит слишком много места. В принципе, у него есть все функции, которые вы хотите для эффективного и функционального соединения».
