Недавно представители компании IBM продемонстрировали то, что они называют первым монолитным кремниево-фотонным чипом, и это событие является большим шагом к созданию компьютерных чипов, на кристаллах которых интегрированы одновременно элементы оптических и электронных схем. Оптические коммуникационные каналы могут обеспечить большую полосу пропускания, нежели их электронные “собратья” работающие на медных электрических проводниках, проложенных по поверхности кристаллов чипов. Кроме этого, оптические каналы расходуют в два раза меньше энергии для передачи определенного количества информации, нежели электронные каналы, что имеет немаловажное значение с учетом роста инфраструктуры Интернета, требующего постоянного увеличения вычислительных мощностей его датацентров.
Инженеры, занимающиеся конструированием чипов, уже давно знают, что использование оптических коммуникационных каналов в пределах кристалла чипа может существенно увеличить его вычислительную мощность, снизив, при этом, количество потребляемой энергии. Но, различные материалы, используемые в оптике и электронике, различные технологии их обработки служили препятствием для их одновременной интеграции. Но, со временем, электронные компоненты начали приближаться к максимально возможным пределам их производительности, что повлекло за собой увеличение их энергетического “аппетита”, и это послужило толчком к тому, что исследователи из разных организаций взялись за разработку методов интеграции оптических компонентов на традиционные полупроводниковые электронные чипы.
Следует отметить, что фотонно-электронный чип, созданный специалистами компании IBM, является своего рода компромиссом, в котором сделаны некоторые уступки реалиям современных технологий. Сам кристалл чипа может быть запакован в такой же корпус, как и обычные электронные чипы. Но в его составе отсутствуют одни из самых главных компонентов – источники света. Вместо этого свет от внешних лазеров подается через специальные “лазерные входные порты”, но, как только свет попадает внутрь чипа, он может быть использован для передачи и обработки информации. Для ввода информации в чип имеется четыре входных порта, а результаты обработки выдаются наружу через четыре выходных порта, каждый из которых способен обеспечить скорость до 25 гигабит в секунду. А за счет использования технологии мультиплексирования по длине волны скорость каждого порта составляет 100 гигабит в секунду.Архитектура фотонного чипа является масштабируемой и, пока только в теории, можно будет создать чипы с восемью входными и выходными портами, способные “переварить” поток данных скоростью до 800 гигабит в секунду. Но пока это все только в перспективе, на первом этапе компания IBM планирует использовать новые кремний-фотонные чипы в своих собственных информационных центрах и в составе высокопроизводительных вычислительных систем, где полоса пропускания коммуникационных каналов является главным узким местом.
Представители компании сообщают, что их специалисты уже произвели успешные испытаний четырехпортовых кремний-фотонных чипов, организовав при их помощи сеть, способную передавать информацию со скоростью 100 гигабит в секунду на расстояние до 2 километров. И если специалистам компании удастся создать оптические приемники и передатчики, способные потянуть скорость в 800 гигабит в секунду, то им придется заняться разработкой и производством восьмипортовых кремний-фотонных чипов.
Следующим шагом, который намерена сделать компания IBM, станет интеграция на кристалл чипа источников света – лазеров на основе полупроводниковых материалов III-V группы. Этот шаг будет достаточно долгим и тяжелым, но разработанные за это время технологии позволят включать в состав чипа не только лазеры, но и массу других оптических компонентов, включая волноводы, фотодиоды, оптические резонаторы, усилители и т.п., которые будут размещаться непосредственно рядом с обычными электронными компонентами.Еще одним внушительным достижением компании является то, что новый кремний-фотонный чип был изготовлен на совершенно стандартном оборудовании по 90-нм CMOS-технологии. Это, в свою очередь, позволит избежать больших капитальных вложений в производство новых чипов тогда, когда эта технология станет достаточно зрелой для массового применения.