I data center, spazi dedicati per l'archiviazione, l'elaborazione e la diffusione dei dati, consentono di tutto, dal cloud computing allo streaming video. Nel processo, consumano una grande quantità di energia trasferendo i dati avanti e indietro all'interno del centro. Con la domanda di dati in crescita esponenziale, c'è una crescente pressione affinché i data center diventino più efficienti dal punto di vista energetico.

I data center ospitano server, computer ad alta potenza che comunicano tra loro tramite interconnessioni, che sono connessioni fisiche che consentono lo scambio di dati. Un modo per ridurre il consumo di energia nei data center consiste nell'utilizzare la luce per comunicare le informazioni con interruttori ottici controllati elettricamente che controllano il flusso di luce, e quindi le informazioni, tra i server. Questi switch ottici devono essere multifunzionali ed efficienti dal punto di vista energetico per supportare la continua espansione dei data center.

In un articolo pubblicato online il 4 luglio su Nature Nanotechnology , un team guidato da scienziati dell'Università di Washington ha riportato la progettazione di un interruttore non volatile a base di silicio a basso consumo energetico che manipola la luce attraverso l'uso di un materiale a cambiamento di fase e un riscaldatore di grafene.

"Questa piattaforma spinge davvero i limiti dell'efficienza energetica", ha affermato il co-autore Arka Majumdar, professore associato di fisica e ingegneria elettrica e informatica della UW, nonché membro della facoltà presso l'UW Institute for Nano-Engineered Systems e il Istituto di scienze molecolari e ingegneristiche. "Rispetto a ciò che viene attualmente utilizzato nei data center per controllare i circuiti fotonici, questa tecnologia ridurrebbe notevolmente il fabbisogno energetico dei data center, rendendoli più sostenibili e rispettosi dell'ambiente."

Gli interruttori fotonici al silicio sono ampiamente utilizzati in parte perché possono essere realizzati utilizzando tecniche consolidate di fabbricazione di semiconduttori. Tradizionalmente, questi interruttori sono stati sintonizzati attraverso l'effetto termico, un processo in cui viene applicato calore, spesso facendo passare una corrente attraverso un metallo o un semiconduttore, per modificare le proprietà ottiche di un materiale nell'interruttore e quindi cambiare il percorso della luce. Tuttavia, non solo questo processo non è efficiente dal punto di vista energetico, ma i cambiamenti che induce non sono permanenti. Non appena la corrente viene rimossa, il materiale torna allo stato precedente e la connessione, e il flusso di informazioni, si interrompe.

Per affrontare questo problema, il team, che comprende ricercatori della Stanford University, del Charles Stark Draper Laboratory, dell'Università del Maryland e del Massachusetts Institute of Technology, ha creato un interruttore "imposta e dimentica" in grado di mantenere la connessione senza alcuna energia aggiuntiva. Hanno usato un materiale a cambiamento di fase che non è volatile, il che significa che il materiale viene trasformato riscaldandolo brevemente e rimane in quello stato fino a quando non riceve un altro impulso di calore, a quel punto ritorna al suo stato originale. Ciò elimina la necessità di immettere costantemente energia per mantenere lo stato desiderato.

In precedenza, i ricercatori hanno utilizzato silicio drogato per riscaldare il materiale a cambiamento di fase. Il silicio da solo non conduce elettricità, ma se drogato selettivamente con elementi diversi come fosforo o boro, il silicio è in grado sia di condurre elettricità che di propagare la luce senza alcun assorbimento eccessivo. Quando una corrente viene pompata attraverso il silicio drogato, può agire come un riscaldatore per cambiare lo stato del materiale a cambiamento di fase su di esso. Il problema è che anche questo non è un processo molto efficiente dal punto di vista energetico. La quantità di energia necessaria per commutare il materiale a cambiamento di fase è simile alla quantità di energia utilizzata dai tradizionali interruttori termo-ottici. Questo perché l'intero strato di silicio drogato spesso 220 nanometri (nm) deve essere riscaldato per trasformare solo 10 nm di materiale a cambiamento di fase. Viene sprecata molta energia per riscaldare un volume così grande di silicio da commutare un volume molto più piccolo di materiale a cambiamento di fase.

"Ci siamo resi conto che dovevamo capire come ridurre il volume che doveva essere riscaldato per aumentare l'efficienza degli interruttori", ha affermato Zhuoran (Roger) Fang, uno studente di dottorato della UW in elettricità e informatica. ingegneria.

Un approccio sarebbe quello di realizzare una pellicola di silicio più sottile, ma il silicio non propaga bene la luce se è più sottile di 200 nm. Quindi, invece, hanno utilizzato uno strato di silicio non drogato da 220 nm per propagare la luce e hanno introdotto uno strato di grafene tra il silicio e il materiale a cambiamento di fase per condurre l'elettricità. Come il metallo, il grafene è un eccellente conduttore di elettricità, ma a differenza del metallo è atomicamente sottile:consiste in un solo strato di atomi di carbonio disposti in un reticolo a nido d'ape bidimensionale. Questo design elimina lo spreco di energia dirigendo tutto il calore generato dal grafene per andare verso la modifica del materiale a cambiamento di fase. In effetti, la densità di energia di commutazione di questa configurazione, che viene calcolata prendendo l'energia di commutazione divisa per il volume del materiale da commutare, è di soli 8,7 attojoule (aJ)/nm ³ , una riduzione di 70 volte rispetto ai riscaldatori al silicio drogati ampiamente utilizzati, l'attuale stato dell'arte. Questo è anche entro un ordine di grandezza dal limite fondamentale della densità di energia di commutazione (1,2 aJ/nm ³ ).

Anche se l'uso del grafene per condurre l'elettricità induce alcune perdite ottiche, il che significa che un po' di luce viene assorbita, il grafene è così sottile che non solo le perdite sono minime, ma il materiale a cambiamento di fase può comunque interagire con la luce che si propaga nello strato di silicio. Il team ha stabilito che un riscaldatore a base di grafene può cambiare in modo affidabile lo stato del materiale a cambiamento di fase per più di 1.000 cicli. Questo è un notevole miglioramento rispetto ai riscaldatori al silicio drogati, che hanno dimostrato di avere una durata di circa 500 cicli.

"Anche 1.000 non sono sufficienti", ha detto Majumdar. "In pratica, abbiamo bisogno di circa un miliardo di cicli di resistenza, su cui stiamo attualmente lavorando."

Ora che hanno dimostrato che la luce può essere controllata utilizzando un materiale a cambiamento di fase e un riscaldatore di grafene, il team prevede di dimostrare che questi interruttori possono essere utilizzati per l'instradamento ottico delle informazioni attraverso una rete di dispositivi, un passo fondamentale per stabilirne l'uso in Centri dati. Sono anche interessati ad applicare questa tecnologia al nitruro di silicio per instradare singoli fotoni per il calcolo quantistico.

"La capacità di essere in grado di regolare le proprietà ottiche di un materiale con solo un riscaldatore atomicamente sottile è un punto di svolta", ha affermato Majumdar. "Le eccezionali prestazioni del nostro sistema in termini di efficienza energetica e affidabilità sono davvero sconosciute e potrebbero aiutare a far progredire sia la tecnologia dell'informazione che l'informatica quantistica."

Altri coautori includono gli studenti di ingegneria elettrica e informatica della UW Rui Chen, Jiajiu Zheng e Abhi Saxena; Asir Intisar Khan, Kathryn Neilson, Michelle Chen ed Eric Pop della Stanford University; Sarah Geiger, Dennis Callahan e Michael Moebius del Charles Stark Draper Laboratory; Carlos Rios dell'Università del Maryland; e Juejun Hu del Massachusetts Institute of Technology. + Esplora ulteriormente

I ricercatori si avvicinano al controllo del grafene bidimensionale