Разработчики чипов современных процессоров уже давно обратили свое внимание на фотонные технологии, которые позволяют быстро передавать данные от одного функционального узла чипа к другому в пределах кристалла процессора. Такие фотонные соединения позволят преодолеть одно из главных узких мест в архитектуре процессоров, которое связано с ограничением полосы пропускания шин данных, изготовленных из обычных медных токопроводящих дорожек. Избавление от этого узкого места позволит использовать все ресурсы и вычислительные мощности процессоров с максимальной эффективностью, но необходимость совмещения двух различных технологий, электроники и фотоники, служило в качестве препятствия, которое не давало реализовать все эти идеи на практике.

Группа исследователей из Массачусетского технологического института, Калифорнийского университета в Беркли и Колорадского университета в Болдуре нашла способ интеграции полупроводниковых и оптических технологий на поверхности одного и того же кристалла.

Этот способ был превращен в технологию, при помощи которой можно производить чипы на оборудовании, предназначенном для изготовления CMOS-полупроводников, и эта технология была использована для изготовления опытного образца микропроцессора, на кристалле которого находятся 70 миллионов транзисторов и 850 фотонных компонентов, которые обеспечивают связь между логическими цепями, памятью и другими компонентами, в которых нуждается современный микропроцессор.

Чип процессора был изготовлен на подложке, на поверхность который был нанесен слой диоксида кремния, толщиной 200 нм, который выступает в качестве изоляционного слоя. Поверх этого слоя был нанесен еще несколько слоев, 100-нм слой прозрачного кремния, 100-нм слой кремния с примесью германия и верхний диэлектрический слой. Примесь германия в кремнии позволяет придать слою некоторые особенные характеристики и это используется для повышения быстродействия чипа в целом.

Созданный на поверхности многослойной подложки чип имеет архитектуру RISC-V и он снабжен SRAM-памятью, объемом в 1 мегабайт.

Ключевым компонентом фотонных узлов этого микропроцессора являются микрокольцевые резонаторы, петли, диаметром 10 микрометров, соединенные с волноводами. Они изготавливаются при помощи тех же самых технологий, которые используются для производства p-n переходов транзисторов, и они выполняют функцию преобразования всех поступающих фотонов света к фотонам с одной фиксированной длиной волны. Приложение к кольцу микрорезонатроа положительного или отрицательного потенциала превращает этот компонент в эффективный модулятор оптического сигнала, что позволяет передавать цифровые данные при помощи луча света.

Микроскопическое кольцо также обеспечивает работу высокоскоростного фотодатчика. Обычно, кремний-германиевые (SiGe) фотодатчики должны иметь достаточно большие размеры, исчисляющиеся миллиметрами, и это необходимо для того, чтобы обеспечить сигнал приемлемого уровня. Свет, циркулирующий внутри микрокольцевого резонатора, проходит через датчик большое количество раз, что позволяет сократить размеры датчика, оставив на прежнем уровне амплитуду выдаваемого им сигнала.

Одной из главных проблем, которую удалось успешно решить исследователям, является температурный дрейф кольцевого микрорезонатора, коэффициент преломления материала которого сильно зависит от температуры окружающей среды.

В данном случае каждый микрорезонатор снабжен собственной цифровой системой стабилизации, которая, путем изменения напряжения на специальных электродах, поддерживает резонансную частоту строго в заданных пределах.

Другими проблемами, с которыми пришлось столкнуться и которые были успешно решены исследователями, стали проблемы с охлаждением и с вводом на кристалл потока света от внешнего лазера, при помощи которого функционируют все оптические компоненты микропроцессора. Для решения этих проблем был использован ряд различных решений, в том числе и весьма неординарных. Чип этого процессора лежит «лицом» к печатной плате в отличие от чипов традиционных процессоров.

В настоящее время создана новая компания под названием Ayar Labs, которая займется дальнейшей коммерциализацией разработанных технологий. На это, по предварительным прогнозам, может уйти несколько лет. Однако, даже некоторые из ученых, задействованных в данных исследованиях, настроены весьма скептично по поводу будущего таких чипов.

«Проблемы кремниевой фотоники на этом чипе никуда не делись» – рассказывает Энтони Леви (Anthony Levi), профессор из университета Южной Калифорнии, – «Как и всегда, потери оптических сигналов достаточно высоки, для работы чипа требуется большое количество энергии, которая превращается в тепло и которую надо отводить наружу. Сам чип имеет достаточно большие размеры при весьма скромных возможностях. И даже если эти проблемы удастся решить в ближайшем будущем, то будут необходимы весьма весомые аргументы, которых пока еще нет, для того, чтобы заставить мир принять эти новые технологии».