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インテルのブレークスルー
今年の春に40周年を迎えたムーアの法則は、半導体業界の最大の祝福でした。 1965年、Intelの共同創設者であるGordon Mooreは、コンピュータチップ上のトランジスタの数が2年ごとに2倍になると予測しました。当時、チップには数十個のトランジスタしか搭載されていませんでした。現在、インテルのハイエンドチップには17億個以上のトランジスタが搭載されており、その数は2012年までに100億個を超えると予想されています。
しかし、ますます多くのトランジスタやその他の回路をチップに搭載する能力は、それらが十分に深刻になると、既存のシリコンベースのデジタル経済の成長を脅かす可能性のある多くの問題を悪化させています。問題のある領域のほんの一部：熱の蓄積、回路からの電流の漏れ、隣接するワイヤ間の電気的クロストーク。たとえば、デスクトップコンピュータ用の最新のCPUは、100ワットの電力を消費します。ラップトップCPUは、バッテリー寿命を最大化することを目的としているため、一般的に効率的です。しかし、今でも75ワットも消費しています。トースターをひざに乗せるようなものだと、インテルのシニアバイスプレジデントであるパットゲルシンガーは言います。普及が見込まれる1つの解決策は、チップ上のトランジスタの数を減らすことではなく、同じシリコンの同じスラブ上に同じ回路パターンを2回以上プランクすることによって増やすことです。 Intelはこの春、最初のそのようなデュアルコアチップをリリースしました。また、Intelの幹部は、最大1,000個のプロセッサを並べた多くのコアチップの将来を想定しています。
しかし、摩擦があります。デジタルの流れを伝える銅線 1 砂 0 sコンピュータの内外、および一部のコンピュータのプロセッサ間では、非常に多くのデータしか高速に伝送できません。 [プロセッサの]パフォーマンスを2倍にするには、チップのオンとオフでパフォーマンスを2倍にする必要があるとGelsinger氏は言います。従来の相互接続テクノロジーであるCopperは、速度が不足しています。
問題は、銅線を通過する電気パルスが電気抵抗に遭遇し、それが運ぶ情報を劣化させることです。その結果、銅線を通過するデータビットは、十分な間隔を空けて移動し、ワイヤのもう一方の端にあるデバイスがそれらを拾うことができるようにゆっくりと移動する必要があります。この制限により、銅線を使用してコンピューターを接続するローカルエリアネットワークでデータトラフィックの渋滞がすでに発生しています。また、多くの専門家は、個々のコンピューター内の複数のプロセッサー間のデータトラフィックのボトルネックが発生すると予測しています。結果として、ムーアの法則が維持されたとしても、コンピューターは、プロセッサーに追いつくのに十分な速さでデータをチップに出し入れすることができないため、コンピューターが提供するパワーの増加を利用できなくなります。 。これは根本的な課題です。コンピュータは、チップ内およびチップ間で大量のデータを移動するためのより高速な方法を見つける必要があります。
シリコンレーザーを入力してください。光接続は、銅線よりも1秒あたり数千倍のデータを伝送できます。しかし、ガリウムヒ素やリン化インジウムなどのエキゾチックな半導体でできている既存の光学部品は、個々のコンピューターやローカルネットワークでさえ使用するには非常に高価です。シリコンで光学デバイスを作ることができれば、それは安価で、少なくともIntelのような会社にとっては製造が簡単であり、それはすべてを変えるでしょう。シリコンオプティクスへの移行により、シリコンチップに基本的な新しい機能が追加されます。それは、光を操作して応答する機能です。企業は、ネットワーク内の銅線接続を光リンクに置き換えることで、最初にその機能を利用する可能性があります。しかし、最終的には、シリコンフォトニクスが単一チップ内のプロセッサ間の銅線に取って代わる可能性もあります。チップ設計者は、マイクロプロセッサが命令を実行するために使用する内部クロックにシリコンオプティクスを使用して、クロック速度を劇的に向上させ、計算速度を向上させることも想定していました。
最近まで、シリコンオプティクスの可能性についての憶測はすべて仮説でした。つまり、適切なシリコンレーザーは存在しませんでした。しかし、昨年の冬、Intelの科学者Mario Panicciaの研究室が最初の連続オールシリコンレーザーを報告したとき、状況は変わりました。シリコンチップを製造するのと同じ製造方法を使用して構築された実験装置は、赤外線光子の安定した流れを生み出しました。これは、多くの研究者がシリコンでは不可能だと信じていた成果です。
シリコンフォトニクスはまだ初期の段階です。しかし、シリコンベースの光学部品の進歩を説明する一連の論文で過去1年間に報告された調査結果に基づいたインテルの結果は、コンピューターレベルで光学技術と電子技術を緊密にリンクすることが実用的になる可能性があることを多くの専門家に納得させています。パニッチャのチームによる進歩は目覚ましいものでした、とイギリスのサリー大学のシリコンフォトニクスのパイオニアであるグラハムリードは言います。今、すべての懐疑論者は、シリコンが光学に本当の影響を与えるだろうと信じ始めています。
シリコン技術の予想される進歩により、ムーアの法則が当面続くことはほぼ確実であり、これまで以上に高速なコンピューターが作成されます。シリコンフォトニクスは、チップの内外やマシン間で膨大な量のデータを高速化することにより、人々がこの膨大な計算能力にアクセスするのに役立つ可能性があります。
お粗末なエミッター
光ファイバは、長距離通信ネットワークのバックボーンを構成し、インターネットの速度に大きく影響します。しかし、光学部品は安くはありません。データを光学的に送受信するには、光ビームを生成するレーザーが必要です。そのビームをデジタルを表すオン/オフバーストにチョップする変調器 1 砂 0 s;光をチップに通す導波路。光を捕らえて電子信号に戻す光検出器。現在、これらのデバイスはシリコンでできておらず、設置するのに数千ドルの費用がかかります。テレコムプロバイダーはこれらの価格を支払うことができますが、コンピューター内でデータを移動するためのテクノロジーを実現可能にすることは、価格を桁違いに下げることを意味します。
シリコンが答えかもしれません。私たちにとってシリコン、それは宗教的な経験ではないかもしれませんが、それはかなり近いです、とゲルシンガーは言います。シリコンは、費用対効果が高く、拡張性があり、耐久性があり、製造可能であることが証明されており、他のあらゆる種類の素晴らしい特性を備えています。シリコン製のフォトニック部品は、光学部品をより手頃な価格にし、潜在的な用途を広げます。今日、光学はニッチな技術です。明日は、私たちが構築するすべてのチップの主流になると、ゲルシンガーは言います。
約1年前までは、シリコンが光学において重要な役割を果たすことは決してないように見えました。シリコンは本質的に最高の光学材料ではない、とリードは説明します。その最も明らかな欠点の中には、それがお粗末な発光体であるということがあります。シリコン内の電子が励起されると、光子を放出する代わりに、シリコンの結晶格子が振動します。その結果、光ではなく熱になります。対照的に、ガリウムヒ素やリン化インジウムなどの半導体は、電気的に励起されると発光します。したがって、研究者は何年にもわたって光チップの展望に魅了されてきましたが、シリコンはそれを構築するのに適切な材料ではないというコンセンサスがありました。
その後、1990年代後半に、研究者は、予備的ではありますが、シリコン光学の一連の有望な進歩を報告しました（アップストリームを参照）。 テクノロジーレビュー、2001年6月 ）。 Intelでは、Panicciaのチームの進歩により、経営幹部は会社のシリコンフォトニクスプログラムを強化するようになりました。インテルの最初のブレークスルーは、2004年2月にPanicciaがジャーナルで報告したときに起こりました。 自然 彼のグループは、レーザーからの安定した光の流れを、以前の実験的に実証された記録の50倍の進歩である10億ヘルツまたは1ギガヘルツの速度でデジタル1および0の高速パルスに変換できるシリコン変調器を作成したことシリコン用。しかし、それでも十分な速さではありませんでした、とリードは言います。そして今春、材料科学者のLing Liaoが率いるIntelの研究者は、他の光変調器とほぼ同等の10ギガヘルツで動作するシリコン変調器を報告しました。
しかし、重要なシリコンフォトニックコンポーネントは依然としてレーザーでした。昨年9月、Paniccia’sを含む4つの別々のグループが、スタッカート光パルスを発射するシリコンレーザーを報告しました。シリコンは電荷を光に変換するのに不十分な仕事をしているので、これらのシリコンレーザーはすべてエネルギー源として外部レーザーに依存していました。すべてのチップベースのレーザーと同様に、シリコンレーザーは、エネルギー（この場合は別の光源からの光子）を本質的に同じ波長と位相の光子のバーストに変換することによって機能します。 Intelの研究者は、ラマン効果と呼ばれる、振動する原子との衝突から光子がエネルギーを得るという、古くから知られている原理を利用しました。
ただし、パルスレーザーはデータの送信には適していません。光学エンジニアは、データ信号を作成するために変調器でスライスおよびダイシングできる連続レーザーを非常に好みます。しかし、すべてのグループが同じ問題に苦しんでいました。シリコンチップに供給する連続レーザー光の量を増やすと、入ってくる光子のペアが同時に単一のシリコン原子に当たる可能性も高くなりました。それが起こったとき、シリコン原子はそれらの原子軌道から電子を追い出し、それらの可動電荷は貪欲に光子をむさぼり食った。入ってくるレーザーは、電子に過剰なエネルギーをあきらめて静止状態に戻るのに必要な数百万秒を与えるためにパルス化する必要がありました。
Panicciaのチームは、素晴らしく、シリコンテクノロジーに精通している人にとっては、概念的に単純な答えを思いつきました。 Intelレーザーチップにエッチングされたのは、光が前後に跳ね返り、強度が増すシリコン導波路チャネルでした。研究者らは、チャネルの両側に電極を埋め込みました。それらが電極間の電圧をオンにすると、それは負に帯電した電子を正に帯電した電極に向かって押し寄せる電界を作り出し、それらを効果的に邪魔にならないように掃き出しました。その結果、光子は、連続的なレーザービームを生成するまで、妨げられることなく蓄積することができました。
昨年の冬、クリスマスの3日前に、Panicciaの同僚であるHaishengRongとRichardJonesは、戦略が機能していることを示す最初の兆候を見ました。安定した流れ。
その中
Intelの研究者は、チップ上の電子部品と一緒にシリコンレーザーを製造する方法を見つける必要があります。電子回路は、何十もの材料の層を敷設してエッチングするという骨の折れるプロセスを通じて構築されます。これらのステップのいくつかは、1,000°Cをはるかに超える温度または腐食性化学物質への暴露を必要とします。そのため、インテルのエンジニアは、光デバイスを構築するために必要な手順で電子回路が劣化しないようにする必要があります。その逆も同様です。
シリコンフォトニクスの有用性の最初のデモンストレーションとして、Panicciaは今年後半に、いくつかの変調器やその他の光学部品をシリコンに統合することを計画しています。この設定により、100ギガビット/秒のデータ転送速度が可能になります。このようなプロトタイプは、Panicciaが、現在市場に出回っているどの製品よりもはるかに効率的にデータをチップに出し入れするシリコンフォトニクスの可能性を示してくれることを期待しています。
パニッチャは、この春、新しく改装されたラボの1つを歩きながら、シリコンフォトニクスを使用する光イーサネットケーブルのモックアップを披露しました。パニッチャは通常、科学者の謙虚で慎重な態度を維持していますが、シリコンの新しい役割のビジョンを売り込むために小道具を使用することを楽しんでいることは明らかです。スパゲッティストランドの細いケーブルの端には、電話コードの端に似たコネクタがあり、シリコンケースの小さなスリットの下に金属パッドがあります。ケーブルの機能バージョンでは、電気信号はコンピュータチップからそれらの金属パッドを通って小さなコネクタ内のシリコンフォトニックチップに伝わり、そこで光パルスのストリームに変換されます。
ケーブルの外側はおなじみのテクノロジーに似ていますが、安価なシリコンフォトニクスを追加すると、コンピューターに前例のない速度と電力がもたらされます。そして、それはインテルがその有名なインテルインサイドブランディングロゴをさらに別の変換テクノロジーに追加することを可能にするでしょう。そのビジョンを実現するのは簡単ではありません。それでも、パニッチャはそれが起こると確信しています。これができるかどうかはもう疑問の余地はありません。いつ、どのように。それが昨年の変化です。そして最後の技術的障壁が下がると、シリコンフォトニクスはどこにでもあるだろうと彼は言います。
Robert Serviceは、ポートランドを拠点とする作家で、化学と材料科学を担当しています。 化学。