Lézerprocesszor
Fény az alagút végén?
Az integrált áramkörök órajelének növelése már tavaly lelassult, ám a CPU-k áramfelvétele és hőtermelése az új irányú fejlesztések ellenére is tovább nő. Egy forradalmi újítás talán az egész gondot megszüntetheti, és hatalmas lökést adhat az egész iparágnak. Forradalom? Ez a szilíciumalapú, folyamatos üzemű lézer.
Jelenleg szinte kizárólag a távközlésben találkozhatunk a nagy sebességű optikai adattovábbítással, holott az elektromos jelátvitel törvényszerű vesztesége meglehetősen sok hiba forrása - bizonyára mindenki ismeri a néhány négyzetcentiméteren 84-115 W-ot disszipáló processzorok hűtőinek zaját. Ha az elektromosság helyett fényt használnánk, a hőtermelési gondok egy időre megoldódnának, illetve a nagy sávszélességű kommunikáció nem csak a processzormagban működhetne. Néhány száz MHz fölött igen nehéz biztosítani az elektromos impulzosok szinkronitását, mivel az alaplapon sok a szórt kapacitás és az induktivitás. A fényjeleknél azonban egyszerűbb a helyzet.
Az optikai alapokon nyugvó áramkörök egyik fő gondja a fénygenerálás, azaz a lézer megépítése. A periódusos rendszer III. és V. főcsoportjának elemeiből (gallium-arzenid, indium-foszfid) ugyan - a később részletezett Raman-effektus segítségével - lehetséges félvezető alapú lézert építeni, ez azonban egyrészt drága, másrészt nehéz feladat többfajta félvezető egy chipre integrálása a különböző hőtágulási együtthatók miatt. Az év elején az Intel fejlesztőcsoportja (H. Rong és társai) bejelentette, hogy elsőként sikerült kifejleszteniük folyamatos üzemű, szilíciumalapú lézert. A következőkben a technológiai mérföldkőként aposztrofált találmány elvi hátteréről lesz szó.
Raman-effektus
Az optikai adatforgalom lebonyolításához lézerre van szükség, amelyet precízen egybeépítenek a fényt továbbító hullámvezetővel - Victor Krutul, az Intel szilíciumalapú optikai berendezésekkel foglalkozó részlegének vezetője szerint a berendezések teljes költségének kétharmadát a pontos összeszerelés és a tesztelés teszi ki. Az integráltsági fok növeléséhez tehát szükség van egy, lehetőleg chipre építhető, pontos orientációjú, kisméretű fényforrásra. Közelebb kerülünk a Raman-jelenség megértéséhez, ha a fényt nem hullámként, hanem részecskenyalábként képzeljük el. Amikor a nyaláb áthalad egy (fényáteresztő) atomrácson, akkor rugalmasan ütközhet az atomokkal, ennek során energiát ad át az atomrácsnak, amely rezgésbe jön, és továbbadhatja az energiát más fotonoknak - természetesen némi (hő)veszteség kíséretében. Ennek eredményeképpen egy másodlagos fénysugarat kapunk, amely kisebb energiájú (nagyobb hullámhosszú), mint a bemenő sugár. De miért jó, hogy egy fénysugárból kisebb energiájú sugarat hozunk létre? Azért, mert a másodlagos sugár megfelelő orientációjú, míg a bemenő (gerjesztő) nyalábra vonatkozó irányultságbeli követelmények sokkal lazábbak. A C.V. Raman által 1927-ben felfedezett jelenség a szilíciumban tízezerszer erősebb, mint például az üvegben, azonban nem véletlenül kellett idáig várni a folyamatos üzemű lézerre. Pontosítsunk: az első szilíciumalapú, folyamatos üzemű lézerre kellett sokat várni, egzotikus alapanyagokkal értek már el sikereket a fejlesztők. Az ipar számára azonban kulcsfontosságú, hogy szilíciumot használjanak, hiszen az utóbbi néhány évtized során rengeteg gyártástechnológiai tapasztalat halmozódott fel és így az előállítási költségek sem elérhetetlenek.
Ha netán egyszerre két foton ütközik egy atomnak, akkor az atom elektront bocsát ki, a keletkező elektronfelhő pedig elnyeli a másodlagos sugár jó részét. Az Intel kutatói valójában nem tettek mást, mint sikeresen eltávolították az elektronfelhőt a fény útjából. Elektron nem keletkezik "magában", mindig egy elektron és egy úgynevezett "lyuk" jön létre, amely valójában elektronhiányos helyet jelent. A kutatók egy p-i-n átmenet, vagyis egy elektronhiányos, egy semleges és egy elektrontöbbletes szilíciumba helyezték a hullámvezetőt, ami azt jelenti, hogy a fény egy dióda belsejében fut. A folyamatok részletes leírása túlfeszítené írásunk határait, a lényeg, hogy ha negatívan előfeszítjük a diódát, akkor a lyukak és az elektronok egyaránt kisodródnak a fény útjából (a dióda csak adott irányban vezeti az áramot, a negatív előfeszítés a vezetési iránnyal ellenkező polaritású feszültség rákapcsolását jelenti). Így a keletkező másodlagos fénynyaláb nemcsak impulzusszerűen, hanem folyamatos üzemben keletkezik, és innentől fogva tetszőlegesen modulálható, kapcsolható, azaz felhasználható kommunikációs célokra.
Fényes jövő
Bár az előrejelzések szerint 5-6 éven belül biztosan nem épül szilíciumlézeren alapuló processzor vagy egyéb chip, de a találmány mégis áttörés. "Mind technológiailag, mind pszichológiailag lényeges mérföldkőhöz érkeztünk, mivel (a szilíciumalapú optikai áramkörök megépítéséről) senki sem gondolta, hogy lehetséges" - nyilatkozta Mario Paniccia, az Intel fotonikai kutatásokért felelős vezetője. A fényalapú adatátvitel részben orvosolhatja a jelenlegi csúcsprocesszorok egyre nehezebben kordában tartható hőtermelésének gondját, a nagyfrekvenciás jelek néhány centiméternél hosszabb távolságokon történő átvitelét (amely a jeltorzulások miatt ma kissé bonyolult), illetve az adathálózatok és a feldolgozóegységek összekötése nagyságrendekkel egyszerűbb és gyorsabb lehet. Ez utóbbi a biztonságos kommunikációt is segítheti, ugyanis az optikai kapcsolat észrevétlen lehallgatása sokkal nehezebb, mint az elektromosé, hiszen azt az információt, amelyet a kommunikációs csatornából kinyer valaki, más már nem kapja meg, hiszen a foton elnyelődik az érzékelőben. Tehát hibátlan adatfolyam esetén biztos, hogy más nem hallgat bele a csatornába, nagyon nagy hibaaránynál pedig az adó megszünteti az információközlést.
Érdekesség, hogy a kísérleti áramkör az AMD és az IBM által kifejlesztett és használt silicon-on-insulator (szilícium a szigetelőn) gyártástechnológiával készült. Az Intel tervei szerint a következő lépés egy chipes, szilíciumalapú optikai adó-vevő megtervezése és gyártása lesz.
A cikk még nem ért véget, kérlek, lapozz!
