Hace dos años y medio, un equipo de investigadores liderado por grupos del MIT, la Universidad de California en Berkeley, y la Universidad de Boston anunciaron un hito:la fabricación de un microprocesador en funcionamiento, construido utilizando solo los procesos de fabricación existentes, que integran componentes electrónicos y ópticos en el mismo chip.

El enfoque de los investigadores, sin embargo, requería que los componentes eléctricos del chip se construyeran a partir de la misma capa de silicio que sus componentes ópticos. Eso significaba confiar en una tecnología de chip más antigua en la que las capas de silicio para la electrónica eran lo suficientemente gruesas para la óptica.

En el último número de Naturaleza , un equipo de 18 investigadores, liderado por el mismo MIT, Berkeley, y grupos de BU, informa otro avance:una técnica para ensamblar componentes ópticos y electrónicos en chip por separado, lo que permite el uso de tecnologías de transistores más modernas. De nuevo, la técnica solo requiere procesos de fabricación existentes.

"Lo más prometedor de este trabajo es que puedes optimizar tu fotónica independientemente de tu electrónica, "dice Amir Atabaki, científico investigador del Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT y uno de los tres primeros autores del nuevo artículo. "Contamos con diferentes tecnologías electrónicas de silicio, y si pudiéramos agregarles fotónica, sería una gran capacidad para las comunicaciones futuras y los chips informáticos. Por ejemplo, ahora podríamos imaginar un fabricante de microprocesadores o un fabricante de GPU como Intel o Nvidia diciendo:'Esto esta muy bien. Ahora podemos tener entrada y salida fotónica para nuestro microprocesador o GPU '. Y no tienen que cambiar mucho en su proceso para obtener el aumento de rendimiento de la óptica en el chip ".

Atractivo ligero

Pasar de la comunicación eléctrica a la comunicación óptica es atractivo para los fabricantes de chips porque podría aumentar significativamente la velocidad de los chips y reducir el consumo de energía. una ventaja que crecerá en importancia a medida que el número de transistores de chips continúe aumentando:la Asociación de la Industria de Semiconductores ha estimado que a las tasas actuales de aumento, Los requisitos de energía de las computadoras superarán la producción total de energía del mundo para 2040.

La integración de componentes ópticos o "fotónicos" y electrónicos en el mismo chip reduce aún más el consumo de energía. Los dispositivos de comunicaciones ópticas están en el mercado hoy en día, pero consumen demasiada energía y generan demasiado calor para integrarse en un chip electrónico como un microprocesador. Un modulador comercial, el dispositivo que codifica información digital en una señal luminosa, consume entre 10 y 100 veces más energía que los moduladores integrados en el nuevo chip de los investigadores.

También ocupa de 10 a 20 veces más espacio de chip. Esto se debe a que la integración de la electrónica y la fotónica en el mismo chip permite a Atabaki y sus colegas utilizar un diseño de modulador más eficiente en el espacio. basado en un dispositivo fotónico llamado resonador de anillo.

"Tenemos acceso a arquitecturas fotónicas que normalmente no se pueden utilizar sin electrónica integrada, "Atabaki explica." Por ejemplo, hoy en día no existe ningún transceptor óptico comercial que utilice resonadores ópticos, porque necesita una capacidad electrónica considerable para controlar y estabilizar ese resonador ".

Los co-primeros autores de Atabaki en el Naturaleza papel son Sajjad Moazeni, estudiante de doctorado en Berkeley, y Fabio Pavanello, quien fue un postdoctorado en la Universidad de Colorado en Boulder, cuando el trabajo estuvo hecho. Los autores principales son Rajeev Ram, profesor de ingeniería eléctrica e informática en el MIT; Vladimir Stojanovic, profesor asociado de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en Berkeley; y Milos Popovic, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Boston. A ellos se unen otros 12 investigadores del MIT, Berkeley, Universidad de Boston, la Universidad de Colorado, la Universidad Estatal de Nueva York en Albany, y Ayar Labs, una startup de fotónica integrada que Ram, Stojanovic, y Popovic ayudó a fundar.

Dimensionamiento de cristales

Además de millones de transistores para ejecutar cálculos, El nuevo chip de los investigadores incluye todos los componentes necesarios para la comunicación óptica:moduladores; guías de ondas, que dirigen la luz a través del chip; resonadores, que separan diferentes longitudes de onda de luz, cada uno de los cuales puede contener datos diferentes; y fotodetectores, que traducen las señales de luz entrantes en señales eléctricas.

El silicio, que es la base de la mayoría de los chips de computadora modernos, debe fabricarse sobre una capa de vidrio para producir componentes ópticos útiles. La diferencia entre los índices de refracción del silicio y el vidrio (los grados en los que los materiales desvían la luz) es lo que confina la luz a los componentes ópticos del silicio.

El trabajo anterior sobre fotónica integrada, que también fue dirigido por Ram, Stojanovic, y Popovic, implicó un proceso llamado unión de obleas, en el que un solo, Un gran cristal de silicio se fusiona con una capa de vidrio depositada sobre un chip separado. El nuevo trabajo al permitir la deposición directa de silicio, con diferentes espesores, sobre el vidrio, debe conformarse con el llamado polisilicio, que consta de muchos pequeños cristales de silicio.

El silicio monocristalino es útil tanto para la óptica como para la electrónica, pero en polisilicio, existe una compensación entre la eficiencia óptica y eléctrica. El polisilicio de cristal grande es eficiente en la conducción de electricidad, pero los cristales grandes tienden a dispersar la luz, reduciendo la eficiencia óptica. El polisilicio de cristales pequeños dispersa menos luz, pero no es tan buen conductor.

Utilizando las instalaciones de fabricación de las facultades de ciencias e ingeniería a nanoescala de SUNY-Albany, los investigadores probaron una serie de recetas para la deposición de polisilicio, variando el tipo de silicio crudo utilizado, temperaturas y tiempos de procesamiento, hasta que encontraron uno que ofrecía un buen equilibrio entre propiedades ópticas y electrónicas.

"Creo que debemos haber pasado por más de 50 obleas de silicio antes de encontrar un material que fuera el adecuado, "Atabaki dice.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.