Новое изобретение IBM – нанофотонный лавинный фотодиод

Исследователи корпорации IBM сообщили о важном шаге в направлении замены электрических сигналов, связывающих между собой электронные микросхемы через медные провода, миниатюрными кремниевыми каналами связи, передающими информацию в форме световых импульсов. Как сообщается в мартовском номере журнала Nature, удалось достичь значительного прогресса в изменении способа, посредством которого компьютерные микросхемы обмениваются данными.

Устройство, получившее название «нанофотонный лавинный фотодиод» (nanophotonic avalanche photodetector) способно привести к настоящему технологическому прорыву в области энергетически эффективных вычислений. Оно использует эффект «лавинного умножения» (лавина Таунсенда), свойственный полупроводниковому материалу германию, который широко применяется в производстве микропроцессорных кристаллов. Этот эффект действует подобно лавине – входной световой импульс в первый момент освобождает лишь малое число носителей электрического заряда, которые, в свою очередь, освобождают другие частицы; таким образом, исходный сигнал многократно усиливается. Обычные лавинные фотодиоды, однако, не могут детектировать быстрые оптические сигналы, поскольку лавина формируется относительно медленно.

Продемонстрированный IBM лавинный фотодиод является самым быстрым в своем роде устройством. Он способен получать информационные сигналы со скоростью 40 Гбит/с (40 млрд бит в секунду) и одновременно десятикратно их усиливать. Более того, устройство работает при напряжении питания всего 1,5 В, что в 20 раз меньше, чем у подобных устройств, демонстрировавшихся ранее. Таким образом, множество таких миниатюрных коммуникационных устройств потенциально смогут питаться от маленькой батарейки AA, тогда как для питания обычных лавинных фотодиодов требуется напряжение 20-30 В.

В устройстве IBM эффект лавинного умножения реализован на уровне всего нескольких десятков нанометров и протекает очень быстро. Кроме того, благодаря столь миниатюрным размерам, шумы, порождаемые усилением оптического сигнала, подавляются на 50–70% по сравнению с обычными лавинными фотодиодами. Устройство IBM создано из кремния и германия – полупроводниковых материалов, широко применяемых в производстве микропроцессорных чипов. Более того, оно создано с помощью стандартных процессов, используемых в полупроводниковой промышленности при изготовлении микросхем.

По словам д-ра Т.Ч. Чена, вице-президента подразделения IBM Research по науке и технологиям, это изобретение делает концепцию оптических межсоединений в кристалле намного ближе к практике. С оптическими линиями связи, встроенными в процессорные чипы, создание энергетически эффективных компьютерных систем с производительностью уровня эксафлоп становится не слишком отдаленной перспективой.