Průlom ve fotonice: snadná výroba CPU s optickými spoji

Karel Javůrek  |  Technika

Vědcům z MIT se podařil průlom v oblasti výroby fotonických spojení v procesoru pomocí klasických výrobních technologií. Moorův zákon se jen tak nezastaví.

Současné čipy jsou vyráběné z křemíku a využívají elektroniku. Technologie celého fungování a přenosu dat se tak řeší pouze pomocí elektronů, které ale mají řadu problémů a vzhledem k rychlému vývoji nás začínají omezovat.

Dnešní nejmodernější čipy mají tranzistory o velikosti 14 nm a jsou již vyráběny ve větších vzorcích. Intel začne hromadně vyrábět 14nm procesory už příští rok a v roce 2014 si tedy budete moci koupit například notebook, který bude mít čipy s 14nm tranzistory.

Moorův zákon předpovídá, že se přibližně každých 18 měsíců zvýší složitost čipu dvojnásobně a možná se najdou tací, kteří opět volají po konci tohoto zákona. Technologie si ale vždy najdou nějakou cestu.

Fotonické čipy jako pohodlný mezikrok

I když dnes čipy fungují na bázi elektroniky, budoucnost je jistě plně optická – ať už v rámci velkých sítí (internet), tak i spojení uvnitř počítačových zařízení a samotných čipů.

Ještě než se ale k plně optickému čipu dostaneme, čeká nás pravděpodobně mezifáze v podobě fotonických čipů, které pracují s elektrony i fotony. Fotonika se zabývá vyzařováním nebo pohlcováním fotonů elektrony a interakcí mezi těmito částicemi.

Jak už to ale u technologií bývá, k hromadnému nasazení nestačí skvělé parametry, které lze vyrobit v laboratorních podmínkách, ale především efektivní poměr investice a náročnosti výroby. Pokročilé továrny s hodnotou v oblasti několika miliard dolarů zkrátka nelze jen tak zavřít, výroba musí probíhat dostatečně dlouho na to, aby se investice do stavby zaplatila.

A právě ve tvorbě fotonických čipů, kombinujících tranzistory pracující s elektrony a jejich spojení pomocí optických vláken, představili vědci z MIT, univerzity Colorado a inženýři z Micronu nový průlom.

Graf počtu transistorů na různých procesorech během času. Zdroj: CC BY-SA 3.0, Wgsimon
Graf počtu transistorů na různých procesorech během času. Zdroj: CC BY-SA 3.0, Wgsimon

Tranzistory a optické spoje

Pokud je nutné pracovat s hybridním fotonickým čipem, je nutné mít optické modulátory, které dostatečně rychle a efektivně převádí optický signál na elektrický a naopak.

Zatímco klasické metalické spojení trpí na přeslechy a oproti stále menším tranzistorům trpí zahříváním a tím spojenou spotřebou, optické spojení je extrémně úsporné a netrpí přeslechy. Naopak je možné pouze v rámci jednoho optického spoje provozovat tisíce různých kanálů na různých frekvencích, čímž lze řádově zlepšit efektivitu rychlosti přenosu informací mezi tranzistory a případný výkon takových čipů.

Vědci vymysleli způsob, jak pomocí současných strojů pro křemíkové čipy vyrábět optické modulátory. Technologie výroby je optimalizována nejen pro SOI CMOS, ale také bulk CMOS, pomocí které se kromě čipů vyrábí i paměti. Výroba fotonického čipu ve spojení s fotonickou pamětí by tak neměla být problém.

Na cestě k výkonným a úsporným fotonickým čipům

Tento průlom je jedním z mnoha kroků, které vedou k tvorbě celého kompletu v podobě fotonického procesoru a fotonické paměti. I když jsou tranzistory stále menší, problémem zůstávají neefektivní spojení uvnitř čipu, což by právě fotonika měla řešit a poskytnout mnohem větší posun ve výkonu i spotřebě a zahřívání čipu.

Jeden optický spoj může nahradit spousty elektrických, protože dokáže přenášet mnohem větší objem informací. To znamená menší potřebná velikost čipů a také nutnost pro přechod k trojrozměrným čipům s několika vrstvami.

A kdy se můžeme dočkat prvních fotonických čipů a pamětí v prodeji? V poslední době se v této oblasti (využití fotoniky uvnitř i v okolí čipu) děje opravdu hodně, vlastní a také úspěšný výzkum za sebou má IBM nebo třeba Fujitsu.

Intel počítá s tím, že přibližně v roce 2017/2018 bude prodávat čipy s 7nm tranzistory. Takže doufejme, že v té době se také pomalu začne ve velkém s fotonickými čipy.

Přečtěte si také:

Nejčtenější