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, Alexander, Elektronický čip, Oblast, Svět, Obrovský rozmach, Infračervené světlo, Miniaturní modul, Viditelné světlo, Nový čip, Elektron, Mikroskopy, Základ, Základní prvek, Čip, Destička, Elektronový mikroskop, Success, Hoffman, Velký skok, Nová oblast, Nový objev, Objev, Jelen

Určitě si přečtěte

Jak funguje největší akumulátor v Česku: podívejte se do elektrárny Dlouhé Stráně

Jak funguje největší akumulátor v Česku: podívejte se do elektrárny Dlouhé Stráně

** Přečerpávací vodní elektrárna Dlouhé stráně je obdivuhodné technické dílo ** Stejná turbína vyrábí elektřinu i tlačí vodu zpět do horního jezera ** Strojovna elektrárny je zabudována v podzemí

19.  10.  2017 | David Polesný | 25

Velká podzimní aktualizace Windows 10 je tady: Co přináší Fall Creators Update

Velká podzimní aktualizace Windows 10 je tady: Co přináší Fall Creators Update

** Po půl roce je tu další aktualizace Windows ** A opět přináší hlavně hromadu drobných kosmetických vylepšení ** Podívali jsme se na ty nejzajímavější

17.  10.  2017 | Jakub Čížek | 187

Přichází doba hypersonických zbraní. Hrozí zvýšené riziko jaderného konfliktu

Přichází doba hypersonických zbraní. Hrozí zvýšené riziko jaderného konfliktu

** Světové mocnosti vyvíjí nové, nesmírně rychlé zbraně ** Jsou schopné pokořit rychlost Mach 5 ** Tyto zbraně mohou zvýšit riziko rozpoutání válečného konfliktu

19.  10.  2017 | Stanislav Mihulka | 20

16 míst, kde můžete legálně sledovat filmy na internetu

16 míst, kde můžete legálně sledovat filmy na internetu

** Legálních služeb pro sledování filmů je celá řada, využít můžete předplatné či platbu za film ** Ceny jsou u mnohých velmi rozumné, limitem je pouze nabídka titulů ** České služby mají i dabované filmy, u zahraničních často chybí i české titulky

18.  10.  2017 | Vladislav Kluska | 27


Aktuální číslo časopisu Computer

Nový seriál o programování elektroniky

Otestovali jsme 17 bezdrátových sluchátek

Jak na nákup vánočních dárků ze zahraničí

4 tankové tiskárny v přímém souboji