Dois anos e meio atrás, uma equipe de pesquisadores liderada por grupos do MIT, a Universidade da Califórnia em Berkeley, e a Boston University anunciou um marco:a fabricação de um microprocessador funcional, construído usando apenas processos de fabricação existentes, que integrou componentes eletrônicos e ópticos no mesmo chip.

A abordagem dos pesquisadores, Contudo, exigia que os componentes elétricos do chip fossem construídos com a mesma camada de silício que seus componentes ópticos. Isso significava confiar em uma tecnologia de chip mais antiga, na qual as camadas de silício para os componentes eletrônicos eram grossas o suficiente para a óptica.

Na última edição da Natureza , uma equipe de 18 pesquisadores, liderado pelo mesmo MIT, Berkeley, e grupos de BU, relata outro avanço:uma técnica para montar componentes eletrônicos e ópticos no chip separadamente, que permite o uso de tecnologias de transistores mais modernas. Novamente, a técnica requer apenas processos de fabricação existentes.

"O mais promissor sobre este trabalho é que você pode otimizar sua fotônica independentemente de sua eletrônica, "diz Amir Atabaki, um cientista pesquisador no Laboratório de Pesquisa de Eletrônica do MIT e um dos três primeiros autores do novo artigo. "Temos diferentes tecnologias eletrônicas de silício, e se pudermos apenas adicionar fotônica a eles, seria uma grande capacidade para futuros chips de comunicação e computação. Por exemplo, agora podemos imaginar um fabricante de microprocessador ou um fabricante de GPU como Intel ou Nvidia dizendo:'Isso é muito legal. Agora podemos ter entrada e saída fotônica para nosso microprocessador ou GPU. ' E eles não precisam mudar muito em seu processo para obter o aumento de desempenho da óptica no chip. "

Apelo leve

Mudar da comunicação elétrica para a comunicação óptica é atraente para os fabricantes de chips porque pode aumentar significativamente a velocidade dos chips e reduzir o consumo de energia, uma vantagem que crescerá em importância à medida que a contagem de transistores dos chips continua a aumentar:A Associação da Indústria de Semicondutores estimou que, nas taxas atuais de aumento, as necessidades de energia dos computadores excederão a produção total de energia do mundo em 2040.

A integração de componentes ópticos - ou "fotônicos" - e eletrônicos no mesmo chip reduz ainda mais o consumo de energia. Dispositivos de comunicações ópticas estão no mercado hoje, mas eles consomem muita energia e geram muito calor para serem integrados em um chip eletrônico como um microprocessador. Um modulador comercial - o dispositivo que codifica informações digitais em um sinal de luz - consome entre 10 e 100 vezes mais energia do que os moduladores embutidos no novo chip dos pesquisadores.

Também ocupa de 10 a 20 vezes mais espaço no chip. Isso porque a integração de eletrônica e fotônica no mesmo chip permite que Atabaki e seus colegas usem um design de modulador mais eficiente em termos de espaço, baseado em um dispositivo fotônico denominado ressonador de anel.

"Temos acesso a arquiteturas fotônicas que você normalmente não pode usar sem a eletrônica integrada, "Atabaki explica." Por exemplo, hoje não existe um transceptor óptico comercial que usa ressonadores ópticos, porque você precisa de recursos eletrônicos consideráveis ​​para controlar e estabilizar esse ressonador. "

Os coautores de Atabaki no Natureza papel são Sajjad Moazeni, um estudante de doutorado em Berkeley, e Fabio Pavanello, que era pós-doutorado na Universidade do Colorado em Boulder, quando o trabalho foi feito. Os autores seniores são Rajeev Ram, professor de engenharia elétrica e ciência da computação no MIT; Vladimir Stojanovic, professor associado de engenharia elétrica e ciências da computação em Berkeley; e Milos Popovic, professor assistente de engenharia elétrica e da computação na Universidade de Boston. Eles se juntaram a outros 12 pesquisadores do MIT, Berkeley, Universidade de Boston, a Universidade do Colorado, a Universidade Estadual de Nova York em Albany, e Ayar Labs, uma startup de fotônica integrada que Ram, Stojanovic, e Popovic ajudou a fundar.

Cristais de dimensionamento

Além de milhões de transistores para executar cálculos, o novo chip dos pesquisadores inclui todos os componentes necessários à comunicação óptica:moduladores; guias de ondas, que direcionam a luz através do chip; ressonadores, que separam diferentes comprimentos de onda de luz, cada um dos quais pode transportar dados diferentes; e fotodetectores, que traduzem os sinais de luz recebidos de volta em sinais elétricos.

O silício - que é a base da maioria dos chips de computador modernos - deve ser fabricado sobre uma camada de vidro para produzir componentes ópticos úteis. A diferença entre os índices de refração do silício e do vidro - os graus em que os materiais dobram a luz - é o que confina a luz aos componentes ópticos de silício.

O trabalho anterior em fotônica integrada, que também era liderado por Ram, Stojanovic, e Popovic, envolveu um processo chamado ligação wafer, em que um único, um grande cristal de silício é fundido a uma camada de vidro depositada sobre um chip separado. O novo trabalho, ao permitir a deposição direta de silício - com espessura variável - sobre o vidro, deve se contentar com o chamado polissilício, que consiste em muitos pequenos cristais de silício.

O silício de cristal único é útil para óptica e eletrônica, mas em polissilício, há uma troca entre eficiência ótica e elétrica. Polissilício de cristal grande é eficiente na condução de eletricidade, mas os grandes cristais tendem a espalhar a luz, diminuindo a eficiência óptica. Polissilício de cristal pequeno espalha menos luz, mas não é um condutor tão bom.

Usando as instalações de fabricação das Faculdades de Ciências e Engenharia em nanoescala da SUNY-Albany, os pesquisadores experimentaram uma série de receitas para a deposição de polissilício, variando o tipo de silício bruto usado, temperaturas e tempos de processamento, até que encontraram um que oferecia uma boa troca entre propriedades eletrônicas e ópticas.

"Acho que devemos ter passado por mais de 50 pastilhas de silício antes de encontrar um material que fosse adequado, "Atabaki diz.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.