Nový objev v oblasti základních prvků pro světelné čipy

Současné elektrické čipy v budoucnu nahradí optické čipy, které mohou být mnohem výkonnější a úspornější. Vědci vynalezli způsob, jak vyrábět i navrhovat další důležitou komponentu.

Pokud jde o světelné čipy, v posledních letech se objevilo spoustu nových objevů, které nás posouvají blíže k jejich realizaci. Stále se jedná především o výzkum základních prvků, ze kterých je takový optický čip složený. Stejně jako jsou současné elektronické čipy složené z hlavních komponent v podobě tranzistorů a elektricky vodivých spojů.

A právě na oblast spojování logických prvků uvnitř čipu se zaměřila inženýrka Jelena Vučkovičová, Alexander Y. Piggot a další vědci z výzkumného týmu.

Zahřívání a spotřeba elektronických čipů

Jedna z hlavních částí, která limituje současné elektrické čipy, je jistě spotřeba a zahřívání, které je způsobeno obrovským ztrátovým teplem. Tento efekt jistě zná každý z nás – při zatížení notebooku, tabletu nebo v dnešním případě i chytrého telefonu se zařízení často poměrně dost „rozpálí“.

Dle staršího výzkumu Davida Millera je spotřeba a zahřívání až z 80 % důsledkem samotných elektrických spojení uvnitř čipu a nikoli tranzistorů. To znamená, že přechod z použití elektronů pro přenos dat i uvnitř čipu by znamenal velký skok pro snížení spotřeby a teploty. I když lze očekávat, že by výrobci případný nový strop využili částečně i pro zvýšení rychlosti.

Fotonika je nyní poměrně v rozmachu, ale zatím jsme se posunuli z využívání fotonů na přenos na velké vzdálenosti k rychlému a efektivnímu spojení jednotlivých počítačů. To se hodí například u datacenter, serverů a podobně. Fotonické moduly jsou tak stále menší, efektivnější, rychlejší a hlavně levnější.

Miniaturizace technologie pro použití uvnitř čipů je ale ještě daleko, byť se velmi rychle blížíme k cíli. Přenos dat pomocí fotonů vyžaduje mnohem menší množství energie a dle současných měřítek lze přenášet až 20x více dat, než pomocí elektronů a vodiče.

Infračervené světlo a „děravá“ křemíková destička

Mezi použitelné vlastnosti křemíku patří to, že je pro infračervené světlo zcela průhledný, podobně jako průhledné sklo pro světlo ve viditelném spektru. Vědcům se podařilo vyvinout způsob, jak vyrábět opravdu miniaturní optické spoje, které lze teoreticky nasadit v počtech několika tisíců kusů přímo dovnitř čipu.

Klepněte pro větší obrázek
Pohled na strukturu optického spoje pod elektronovým mikroskopem

Současná výroba optických členů je pro takové nasazení neefektivní, protože moduly a karty obsahují maximálně jednotky takových optických spojů. Jak ale známe z historie, pokročilá miniaturizace je důvod, proč máme dnes i v jednom čipu miliardy tranzistorů.

Klepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázek

Na první pohled malá křemíková destička o rozměrech 2,8 x 2,8 mikrometrů je schopná z jednoho příchozího světelného paprsku vytvořit dva odlišné s vlnovou délkou 1 300 nm a 1 550 nm. Ztráta signálu je přitom pouze -2 dB a přeslechy pouze  -11 dB.

Klepněte pro větší obrázek
Detail vytvořených paprsků s různou vlnovou délkou

Jedná se tak o nejmenší demultiplexor pro vlnovou délku světla. Nutno navíc podotknout, že tento prvek byl vyroben pomocí „staré“ výrobní technologie, tu nejpokročilejší mají samozřejmě společnosti jako Intel, Samsung, TSMC a další. O to víc je nové řešení zajímavější, protože nezahrnuje specializované stroje či podmínky, které ještě nejsou v hromadné výrobě – právě naopak.

Automatické navrhování dle potřeby

Týmu se podařilo vytvořit i algoritmus, který řeší další problém při nasazení těchto spojů ve větších počtech – návrh struktury. Otočili postup designování tak, že stačí zadat jak chcete, aby světlo bylo zakřivené a program automaticky vytvoří potřebnou strukturu křemíkového optického prvku pro výrobu.

Klepněte pro větší obrázek
Replika prvního tranzistoru z roku 1947. Takhle vypadají začátky (Zdroj: Inventing Europe)

I když se Intel už v minulosti vyjádřil, že využití fotonů pro logické výpočty, potažmo i kvantové procesory jsou ještě daleko, lze pozorovat přípravu na takové řešení, které umožní zase výkonnější a úspornější čipy. A to i při použití starší výrobní technologie. Stačí se podívat, jak obří byl první tranzistor.

Témata článku: Technologie, Čipy, Elektron, Hoffman, Mikroskopy, Alexander, Success

24 komentářů

Nejnovější komentáře

  • martin.pohl 31. 5. 2015 11:41:46
    Javurku, proc opisujes clanky, kterym zjevne NEROZUMIS??? Cele Zive jde...
  • Pavel Černík 31. 5. 2015 3:11:11
    Hlavni problem optickych prvku je velikostni limit. Aby svetlo mohlo nekde...
  • Dr.No64 30. 5. 2015 20:27:47
    to mel Android Data ze Star Treku ne ? to byla ta film kde tam kempovali...
Určitě si přečtěte

Operační systém běžným počítačům nedal Bill Gates, ale Gary Kildall

Operační systém běžným počítačům nedal Bill Gates, ale Gary Kildall

** Gary Kildall pochopil, že levné výpočetní čipy mohou posloužit jako univerzální počítače pro všechny ** Připravil pro ně proto první operační systém ** Později mu systém vyfoukl Microsoft a nazval ho MS DOS

23.  4.  2017 | Pavel Tronner | 52

Umělá inteligence je sice v plenkách, už teď ale přestáváme rozumět, jak vlastně funguje. To je problém

Umělá inteligence je sice v plenkách, už teď ale přestáváme rozumět, jak vlastně funguje. To je problém

** Už je to tady, lidé přestávají chápat počítače ** Systémy neuronových sítí začínají pracovat tak, že ani jejich tvůrci přesně neví, co se uvnitř děje ** Do budoucna to může být závažný problém

24.  4.  2017 | Jakub Čížek | 112

Před 35 lety měl premiéru legendární počítač ZX Spectrum. Připomeňte si „Gumáka“

Před 35 lety měl premiéru legendární počítač ZX Spectrum. Připomeňte si „Gumáka“

** Slavný osmibitový počítač Sinclair ZX Spectrum byl uveden právě před 35 lety ** Připomeňte si tento průkopnický počítač v tematických článcích ** Podívejte se, jak funguje dnes

23.  4.  2017 | Pavel Tronner | 13

Správný počítač má alespoň dva monitory. Anebo je to jinak?

Správný počítač má alespoň dva monitory. Anebo je to jinak?

** David si nedokáže představit práci bez dvou a více monitorů ** Kubovi naopak stačí jeden a ve více displejích se ztrácí ** Jaký přístup je lepší?

23.  4.  2017 | Jakub Čížek | 59

Český Google Překladač začal používat umělou inteligenci. Konec „drahoušků zákazníků“

Český Google Překladač začal používat umělou inteligenci. Konec „drahoušků zákazníků“

** Google ve svém překladači roky používal statistickou technologii ** Nyní zavádí strojové učení a neuronové sítě ** Rozdíl by měl být zvláště na větších textech patrný už nyní

20.  4.  2017 | Jakub Čížek | 31

Brno otevřelo největší českou dílnu pro bastlíře. Kladívka, vrtačky, 3D tiskárny, laserové řezačky. Je tu vše

Brno otevřelo největší českou dílnu pro bastlíře. Kladívka, vrtačky, 3D tiskárny, laserové řezačky. Je tu vše

** Máte nápad, ale chybí vám stroje a pořádná dílna? ** Chcete postavit ptačí budku, nebo krabičku pro Arduino? ** Brno otevřelo svůj FabLab – laboratoř pro bastlíře

19.  4.  2017 | Jakub Čížek | 31


Aktuální číslo časopisu Computer

První test AMD Ryzen

Velké testy: 22 powerbank a 8 bezdrátových setů

Radíme s koupí Wi-Fi routeru

Co dokáží inteligentní domy?