Due anni e mezzo fa, un team di ricercatori guidati da gruppi del MIT, l'Università della California a Berkeley, e la Boston University hanno annunciato una pietra miliare:la fabbricazione di un microprocessore funzionante, costruito utilizzando solo processi di produzione esistenti, che integravano componenti elettronici e ottici sullo stesso chip.

L'approccio dei ricercatori però, richiedeva che i componenti elettrici del chip fossero costruiti dallo stesso strato di silicio dei suoi componenti ottici. Ciò significava affidarsi a una tecnologia di chip più vecchia in cui gli strati di silicio per l'elettronica erano abbastanza spessi per l'ottica.

Nell'ultimo numero di Natura , un team di 18 ricercatori, guidato dallo stesso MIT, Berkeley, e gruppi BU, segnala un'altra svolta:una tecnica per assemblare separatamente l'ottica e l'elettronica su chip, che consente l'uso delle più moderne tecnologie a transistor. Ancora, la tecnica richiede solo processi di produzione esistenti.

"La cosa più promettente di questo lavoro è che puoi ottimizzare la tua fotonica indipendentemente dalla tua elettronica, "dice Amir Atabaki, uno scienziato ricercatore presso il Research Laboratory of Electronics del MIT e uno dei tre primi autori del nuovo documento. "Abbiamo diverse tecnologie elettroniche al silicio, e se possiamo solo aggiungere la fotonica a loro, sarebbe una grande capacità per comunicazioni future e chip di elaborazione. Per esempio, ora potremmo immaginare un produttore di microprocessori o un produttore di GPU come Intel o Nvidia che dice:'Questo è molto carino. Ora possiamo avere input e output fotonici per il nostro microprocessore o GPU.' E non devono cambiare molto nel loro processo per ottenere l'aumento delle prestazioni dell'ottica su chip".

Fascino leggero

Passare dalla comunicazione elettrica alla comunicazione ottica è interessante per i produttori di chip perché potrebbe aumentare significativamente la velocità dei chip e ridurre il consumo energetico, un vantaggio che aumenterà di importanza man mano che il numero di transistor dei chip continua ad aumentare:la Semiconductor Industry Association ha stimato che agli attuali tassi di aumento, il fabbisogno energetico dei computer supererà la potenza totale mondiale entro il 2040.

L'integrazione di componenti ottici - o "fotonici" - ed elettronici sullo stesso chip riduce ulteriormente il consumo di energia. I dispositivi di comunicazione ottica sono oggi sul mercato, ma consumano troppa energia e generano troppo calore per essere integrati in un chip elettronico come un microprocessore. Un modulatore commerciale, il dispositivo che codifica le informazioni digitali su un segnale luminoso, consuma da 10 a 100 volte più energia dei modulatori integrati nel nuovo chip dei ricercatori.

Inoltre, occupa da 10 a 20 volte più spazio sul chip. Questo perché l'integrazione di elettronica e fotonica sullo stesso chip consente ad Atabaki e ai suoi colleghi di utilizzare un design del modulatore più efficiente in termini di spazio, basato su un dispositivo fotonico chiamato risonatore ad anello.

"Abbiamo accesso ad architetture fotoniche che normalmente non puoi usare senza l'elettronica integrata, "Spiega Atabaki. "Ad esempio, oggi non esiste un ricetrasmettitore ottico commerciale che utilizzi risonatori ottici, perché è necessaria una notevole capacità elettronica per controllare e stabilizzare quel risonatore."

I co-primi autori di Atabaki sul Natura carta sono Sajjad Moazeni, uno studente di dottorato a Berkeley, e Fabio Pavanello, che era un postdoc presso l'Università del Colorado a Boulder, quando il lavoro era finito. Gli autori senior sono Rajeev Ram, un professore di ingegneria elettrica e informatica al MIT; Vladimir Stojanovic, un professore associato di ingegneria elettrica e informatica a Berkeley; e Milos Popovic, un assistente professore di ingegneria elettrica e informatica presso la Boston University. A loro si uniscono altri 12 ricercatori del MIT, Berkeley, Università di Boston, l'Università del Colorado, la State University di New York ad Albany, e Ayar Labs, una startup di fotonica integrata che Ram, Stojanovic, e Popovic ha aiutato a trovare.

Cristalli di dimensionamento

Oltre a milioni di transistor per l'esecuzione di calcoli, il nuovo chip dei ricercatori include tutti i componenti necessari per la comunicazione ottica:modulatori; guide d'onda, che guidano la luce attraverso il chip; risonatori, che separano le diverse lunghezze d'onda della luce, ognuno dei quali può portare dati diversi; e fotorilevatori, che traducono i segnali luminosi in arrivo in segnali elettrici.

Il silicio - che è la base della maggior parte dei moderni chip per computer - deve essere fabbricato sopra uno strato di vetro per produrre componenti ottici utili. La differenza tra gli indici di rifrazione del silicio e del vetro - i gradi a cui i materiali piegano la luce - è ciò che confina la luce ai componenti ottici in silicio.

Il precedente lavoro sulla fotonica integrata, che era guidato anche da Ram, Stojanovic, e Popovic, coinvolto un processo chiamato wafer bonding, in cui un unico, un grande cristallo di silicio è fuso su uno strato di vetro depositato sopra un chip separato. Il nuovo lavoro, nel consentire la deposizione diretta di silicio - con spessori variabili - sopra il vetro, deve accontentarsi del cosiddetto polisilicio, che consiste di tanti piccoli cristalli di silicio.

Il silicio monocristallino è utile sia per l'ottica che per l'elettronica, ma in polisilicio, c'è un compromesso tra efficienza ottica ed elettrica. Il silicio policristallino di grandi dimensioni è efficiente nel condurre elettricità, ma i grandi cristalli tendono a disperdere la luce, abbassando l'efficienza ottica. Il polisilicio a cristalli piccoli disperde meno luce, ma non è un buon conduttore.

Utilizzando gli impianti di produzione presso i College di SUNY-Albany per le scienze e l'ingegneria su nanoscala, i ricercatori hanno provato una serie di ricette per la deposizione di polisilicio, variando il tipo di silicio grezzo utilizzato, temperature e tempi di lavorazione, finché non ne trovarono uno che offrisse un buon compromesso tra proprietà elettroniche e ottiche.

"Penso che dobbiamo aver passato più di 50 wafer di silicio prima di trovare un materiale che fosse giusto, "dice Atabaki.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.