Una nuova tecnologia di microchip in grado di trasferire dati otticamente potrebbe risolvere un grave collo di bottiglia nei dispositivi attuali accelerando il trasferimento dei dati e riducendo il consumo di energia di ordini di grandezza, secondo un articolo pubblicato il 19 aprile, numero 2018 di Natura .

Ricercatori dell'Università di Boston, Istituto di Tecnologia del Massachussetts, l'Università della California Berkeley e l'Università del Colorado Boulder hanno sviluppato un metodo per fabbricare chip di silicio che possono comunicare con la luce e non sono più costosi dell'attuale tecnologia dei chip. Il risultato è il culmine di un progetto di diversi anni finanziato dalla Defense Advanced Research Project Agency che è stata una stretta collaborazione tra i team guidati dal Professore Associato Vladimir Stojanovic dell'UC Berkeley, Professor Rajeev Ram del MIT, e l'assistente professore Milos Popovic della Boston University e precedentemente CU Boulder. Hanno collaborato con un team di ricerca sulla produzione di semiconduttori presso i Colleges of Nanoscale Science and Engineering (CNSE) della State University di New York ad Albany.

Il collo di bottiglia della segnalazione elettrica tra gli attuali chip microelettronici ha lasciato la comunicazione leggera come una delle uniche opzioni rimaste per ulteriori progressi tecnologici. Il metodo tradizionale di trasferimento dei dati, i cavi elettrici, ha un limite alla velocità e alla distanza con cui può trasferire i dati. Inoltre utilizza molta energia e genera calore. Con l'incessante richiesta di prestazioni più elevate e minore potenza nell'elettronica, questi limiti sono stati raggiunti. Ma con questo nuovo sviluppo, quel collo di bottiglia può essere risolto.

"Invece di un singolo cavo che trasporta da 10 a 100 gigabit al secondo, puoi avere una singola fibra ottica che trasporta da 10 a 20 terabit al secondo, quindi circa mille volte di più con lo stesso ingombro, "dice Popovic.

"Se sostituisci un cavo con una fibra ottica, ci sono due modi per vincere, " dice. "Prima, con la luce, è possibile inviare dati a frequenze molto più elevate senza una significativa perdita di energia come avviene con i cavi in ​​rame. Secondo, con ottica, è possibile utilizzare molti diversi colori di luce in una fibra e ognuno può trasportare un canale dati. Le fibre possono anche essere impacchettate più strettamente insieme rispetto ai fili di rame senza diafonia".

Nel passato, i progressi per integrare una capacità fotonica su chip all'avanguardia utilizzati nei computer e negli smartphone sono stati ostacolati da un ostacolo alla produzione. I processori moderni sono abilitati da processi di produzione di semiconduttori industriali altamente sviluppati in grado di eliminare un miliardo di transistor che lavorano insieme su un chip. Ma questi processi di produzione sono messi a punto con precisione e progettare un approccio per includere dispositivi ottici sui chip mantenendo intatte le attuali capacità elettriche si è rivelato difficile.

Il primo grande successo nel superare questo ostacolo è stato nel 2015 quando lo stesso gruppo di ricercatori ha pubblicato un altro documento in Natura che ha risolto questo problema, ma lo ha fatto in un contesto commercialmente rilevante limitato. Il documento ha dimostrato il primo microprocessore al mondo con una capacità di trasferimento di dati fotonici e l'approccio alla produzione senza modificare il processo di produzione originale, un concetto che i ricercatori hanno definito una tecnologia a cambiamento zero. Laboratori Ayar, Inc., una startup che Ram, Popovic e Stojanovic co-fondati, ha recentemente collaborato con il principale produttore del settore dei semiconduttori GlobalFoundries per commercializzare questa tecnologia.

Però, questo approccio precedente era applicabile a una piccola frazione di chip microelettronici all'avanguardia che non includevano il tipo più diffuso, che utilizzano un materiale di partenza denominato silicio sfuso.

Nel nuovo giornale, i ricercatori presentano una soluzione di produzione applicabile anche ai chip più diffusi commercialmente a base di silicio sfuso, introducendo una serie di nuovi strati di materiale nella porzione di elaborazione fotonica del chip di silicio. Dimostrano che questo cambiamento consente la comunicazione ottica senza alcun impatto negativo sull'elettronica. Lavorando con ricercatori all'avanguardia nella produzione di semiconduttori presso il CNSE Albany per sviluppare questa soluzione, gli scienziati si sono assicurati che qualsiasi processo sviluppato potesse essere perfettamente inserito nell'attuale produzione a livello industriale.

"Indagando attentamente e ottimizzando le proprietà degli strati di materiale aggiuntivi per i dispositivi fotonici, siamo riusciti a dimostrare prestazioni a livello di sistema all'avanguardia in termini di densità di larghezza di banda e consumo energetico partendo da un processo molto meno costoso rispetto alle tecnologie concorrenti, "dice Fabio Pavanello, un ex associato post-dottorato del gruppo di ricerca di Popovic che è co-primo autore del documento sia con Amir Atabaki, un ricercatore al MIT, e Sajjad Moazeni, uno studente laureato all'Università di Berkeley. "Ci è voluta una grande collaborazione per diversi anni da parte dei nostri tre gruppi in diverse discipline per raggiungere questo risultato, "aggiunge Atabaki.

La nuova piattaforma, che porta la fotonica ai chip microelettronici di silicio sfuso all'avanguardia, promette comunicazioni più veloci e più efficienti dal punto di vista energetico che potrebbero migliorare notevolmente l'informatica e i dispositivi mobili. Le applicazioni oltre la tradizionale comunicazione dei dati includono l'accelerazione della formazione delle reti neurali artificiali di apprendimento profondo utilizzate nelle attività di riconoscimento di immagini e parlato, e sensori LIDAR a infrarossi a basso costo per auto a guida autonoma, identificazione del volto dello smartphone e tecnologia della realtà aumentata. Inoltre, microchip abilitati otticamente potrebbero consentire nuovi tipi di sicurezza dei dati e autenticazione hardware, chip più potenti per dispositivi mobili che operano su reti wireless di quinta generazione (5G), e componenti per l'elaborazione e l'elaborazione di informazioni quantistiche.

"Per le più avanzate tecnologie di produzione di semiconduttori attuali e future con dimensioni dei transistor elettronici inferiori a 20 nm, non c'è altro modo per integrare la fotonica che questo approccio.", ha concluso Vladimir Stojanovic, il cui team ha condotto parte del lavoro, "Tutti gli strati di materiale utilizzati per formare i transistor diventano troppo sottili per supportare la fotonica, quindi sono necessari gli strati aggiuntivi."