Исследователи из IBM создали самый маленький в мире фотонный переключатель. Это устройство может произвести революцию в оптических вычислениях и производстве компактных нанофотонных чипов.

Нужно пояснить, что во всех традиционных компьютерах используются электронные ключи-транзисторы, однако сделать такое же устройство, включающее и выключающее поток фотонов достаточно трудно.

Зато фотонный нанопереключатель очень востребован в микроэлектронике, особенно при постоянном возрастании вычислительных мощностей компьютеров и необходимости управлять большими потоками данных. В перспективе компания IBM сможет заменить медные внутричиповые проводники соединениями на основе оптических линий связи, и это существенно ускорит работу современных процессоров.

Рис. 1. Переключатель в рабочем положении: ядро A – ядро G и ядро E – ядро C

В настоящее время одной из основных причин, тормозящих процесс наращивания ядер на микрочипах, является недостаточно высокая эффективность применяющихся соединений. Обычные медные проводники перестают справляться с растущей нагрузкой, кроме того, увеличивается выделение тепла.

Проблема может быть решена за счет применения оптических линий, которые, по заявлениям исследователей IBM, позволят повысить пропускную способность внутричиповых соединений в 100 раз при одновременном десятикратном снижении энергопотребления.

Оптические переключатели различного типа созданы достаточно давно, но именно ученые из IBM смогли миниатюризовать их до требуемых размеров. Это стало возможным с использованием кремниевых нанострун с особыми оптическими свойствами.

Нанопереключатель использует принцип резонаторного волновода (CROW) с непосредственными связями, и состоит из пяти парно связанных резонаторов. Полученная структура может полностью пропускать свет только с определенными длинами волн, отражая остальные фотоны. Переключение с «вкл» на «выкл» происходит изменением оптических свойств одного из связанных резонаторов. Время переключения устройства – менее двух наносекунд, частота появления ошибок – не более 10^–12.

Рис. 2. Сброс фотонного нанопереключателя

Общие размеры оптического ключа – 450 нанометров х 220 нанометров. Это очень немного. Для сравнения скажу, что на площади в один квадратный миллиметр может уместиться 2000 таких устройств.

Микроскопический «коммутатор» при использовании одной длины волны света способен обрабатывать данные со скоростью до 40 Гбит/с. Передача же информации на нескольких длинах волн теоретически позволяет добиться скорости в 1 Тбит/с. Работоспособность переключателя уже была подтверждена практическими экспериментами.

Интересно также то, что фотонный нанопереключатель устойчив к колебаниям температуры на +/- 15 °C, это связано с тем, что волновод имеет большую ширину рабочей области (около 350 ГГц). Без сомнения, эта особенность будет чрезвычайно полезна при будущем интегрировании нанопереключателей в процессоры и другие чипы.

Рис. 3. Матрица с нанофотонными ключами

Особенно большое влияние новый нанопереключатель окажет на архитектуру современных многоядерных процессоров – именно этого хотели добиться специалисты IBM. Обмен данными между ядрами процессоров будет приоритетным развитием технологии оптических нанопереключателей.

Сейчас ученые из IBM работают над совместимостью чипа нанопереключателей с традиционной CMOS-микроэлектроникой.

О своих достижениях исследователи сообщили в текущем выпуске Nature Photonics.

Свидиненко Юрий