Оптика и кремниевые кристаллы Кристовский Г.В. 2011

Возрастающий интерес к оптике обусловлен:
Проблемами электрических связей
Растущей степенью интеграции КМОП кристаллов
Потенциальными возможностями реализации оптических связей
Обозримым временным интервалом, в течении которого будет достигнут предел миниатюризации МОП транзисторов

Интел “Nanotechnologies”
22nm Q4 2011, 14nm 2013 (Otellini March 2011)

Модели планарного (слева) и трехмерного (справа) транзисторов

Трехмерный транзистор
Id =µC0·W/Lg·(Vgs – Vt)α W=Wsi + 2Hsi

Характеристики 3-D транзистора
The 22nm 3-D Tri-Gate transistors provide up to 37 percent performance increase at low voltage versus Intel's 32nm planar transistors.
Alternatively, the new transistors consume less than half the power when at the same performance as 2-D planar transistors on 32nm chips.
Intel will introduce a 3-D transistor design into high-volume manufacturing at the 22-nm node in an Intel chip codenamed "Ivy Bridge“(2011-2012)

Характеристики медных проводников (внутренние слои)

Электрические связи
T =1/2 rcL2 - линия без буферов
T = Nτ + rcL2/2N + rLCin – линия с буферами
степени свободы:
- количество и размеры буферов
- ширина проводников и зазор
- задержка 30-50 пс/мм

Проблемы электрических связей
До 70% мощности тратится на связи
Связей очень много, их количество постоянно увеличивается
Большие блоки порождают длинные локальные связи
Неоптимальное размещение блоков –длинные межблочные связи
Задержки на связях неизвестны при размещении
“Interconnect dominated design”

Основные преимущества оптических связей
Высокая пропускная способность
Уменьшенная задержка – определяется групповой скоростью распространения света в материале волновода: v=c/√ε
Задержка распространения по кремневому волноводу – 100пс/см
Экономия мощности - рассеиваемая мощность не зависит от длины связи
Отсутствует взаимное влияние

Эволюция оптических связей
B.J.Offrein etc, IBM, 2008

Фотоника
Фотоника покрывает широкий спектр оптических, электрооптических и оптоэлектронных устройств и их разнообразных применений.
Коренные области исследований фотоники включают волоконную и интегральную оптику, в том числе нелинейную оптику, физику и технологию полупроводников
Теоретической базой фотоники является оптика и физика твердого тела

Реализация оптической связи на кристалле
Основная проблема – внешний лазер
Кремний прозрачен для инфракрасного излучения

Полупроводниковые лазеры
Классический лазер излучает свет под воздействием электромагнитного излучения
Эффект генерации света может быть описан, используя представления об энергетических уровнях электронов в атоме
hν =E2 – E1
В полупроводниковых инжекционных лазерах методом создания неравновесных носителей является инжекция через прямо-смещенный электронно-дырочный переход

Прямозонные и непрямозонные полупроводники
Прямозонные – GaAS, GaP, Inp
Непрямозонные – Si, Ge

Полупроводниковые лазеры на гетеропереходах (излучающие диоды)

Гибридный лазер фирмы Intel (2010)
Темно серый – кремниевая подложка
Светло серый – кремниевый волновод
Зеленый – скрытый слой окисла
Оранжевый – излучающий лазерный диод на основе фосфида индия (слой клея 25 атомов)

Японский лазер (Toyohashi University of Technology)
гетерогенные структуры Si-GaPN-Si с согласующимися решетками

Кремниевый оптический модулятор
фирмы IBM (2007)
В зависимости от содержания входящего потока данных модулятор либо открывается, пропуская лазерный луч, либо закрывается.

Структура кремниевого модулятора
фирмы IBM
Инжекция электронов и дырок в тело волновода меняет его оптические свойства

PIN диод в качестве детектора света
Cвободные носители, появившееся за счет облучения, ускоряются электрическим полем
Ток через диод пропорционален потоку фотонов
Частота ограничена сотнями мегагерц

Нанофотонный лавиннй диод
Продемонстрированный IBM в 2010 году 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 существенно меньше, чем у подобных устройств, демонстрировавшихся ранее.

Крениевые волноводы
Кремний прозрачен для инфракрасных лучей
Clading – cвето отражащие обкладки
W – ширина волновода
Н - толщина волновода

Single mode vs multi mode
R = h/H t = W/H

Кремниевая нанофотоника
В 2010 году фирма IBM ввела термин “CMOS Integrated Silicon Nanophotonics”
Специалисты фирмы IBM заявили, что если внедрение этой технологии пройдет успешно то к 2020 году мы получим мощнейшие и относительно недорогие в обслуживании суперкомпьютеры, которые не будут превышать по размерам теперешние ноутбуки.

Основная идея нано-фотоники
Ограничение размера кристалла существенно сказывается на его электрических, оптических и магнитных свойствах
Электрические, оптические и магнитные свойства определяются не только собственно материалом но и его размерами и формой
Д. Хохлов «Устройства оптоэлектроники и наноэлектроники»

Нанолазер
(университет Норфолка США 2009)
Нанолазер представляет собой сферическую наночастицу золота, которая покрыта стеклоподобной оболочкой, заполненной красителем.
Освещение таких наночастиц видимым светом приводит к возбуждению на поверхности золотых наночастиц так называемых поверхностных плазмонов - коллективных колебаний электронов, которые в дальнейшем могут затухнуть, передав энергию своих колебаний кристаллической решетке золота, или резко изменить собственную энергию колебаний, что сопровождается испусканием фотонов света - лазерного излучения.
При размере в 44 нанометра каждый созданный учеными сферический источник лазерного излучения испускает свет с длиной волны 530 нанометров, что соответствует зеленому свету.

Использование оптических связей на кремниевом кристалле
Оптическая «сеть на кристалле», подобно разветвленной волоконно-оптической компьютерной сети, будет обеспечивать и информационный обмен между ядрами, и маршрутизацию сообщений, которые кодируются импульсами света.
Специалисты фирмы IBM утверждают, что, используя свет вместо проводов, можно передавать почти в 100 раз больше информации между процессорными ядрами, расходуя при этом в 10 раз меньше мощности

Wavelength-division-multiplexed passive optical network (WDM-PON)
OLT– optical line terminal, ONUs – optical network units
Coarse WDM -20 nm spacing – десятки каналов
Dense WDM – 3.2 nm spacing – сотни каналов

Терабитный приемо-передатчик фирмы Интел
Концепция будущего встроенного терабитного оптического кремниевого передатчика

Зарубежные программы
США – “ Ultra performance Nanophotonic Intrachip Communications”
Япония – “ Optical Interconnect Project”
Европа – “ Wavelength Division Multiplexed (WDM) Photonic Layer on CMOS”

Intel Light Peak
Прототип оптической связи между кристаллами был продемонстрирован в 2009г

Прототип оптической связи между кристаллами
Пропускная способность – 50Гбит/сек

Luxtera launches silicon CMOS photonics based optical engine
The engine supports four fully integrated 14Gbps opto-electronic transceiver (transmitter+receiver) channels on a single CMOS chip. Targeted at next-generation InfiniBand, Ethernet, SAS and Fibre Channel applications, it marks the next step in Luxtera’s delivery of a fully integrated, low-cost transceiver chip-set family spanning 10Gbps to 1Tbps.
The device uses mainstream CMOS fabrication processes to deliver on-chip waveguide level modulation and photo-detection, along with associated electronics, resulting in a fully integrated single-chip optical transceiver.
Luxtera will start sampling its new optical engine in second-quarter 2011.

Презентация IBM на Semicon Токио-2011
Прототип процессора с 6-ю оптическими линками
На чипе расположено 6 передатчиков и приемников, каждый из которых обслуживает 8 каналов
Встроенные модуляторы с полосой 20 Гб/сек
20 Гб/сек x 8 = 160 Гб/сек x 6 ~1Tб /сек – это пропускная способность внешних линков
"In three to five years, silicon photonics will be the main enabler for exa-scale computation"

Предварительные итоги
На сегодня продемонстрированы и исследованы работающие образцы всех компонент, необходимых для реализации оптических связей на кремниевых кристаллах
Нанотехнологии позволяют создавать еще более миниатюрные и эффективные компоненты такие как лазеры на плазмонах, излучающие диоды на квантовых ямах и другие
Появление кремниевых кристаллов с оптическими связями можно ожидать в интервале 2015 – 2020.

Возможная структура (2004) Ослабление сигнала в волноводе на базе поликремния 4db
Кремниевый волновод -1дб/см (k=1.2)
Волновод из поли-кремния -4дб/см (k=1.6)

Пример оптической разводки
синхросигналов

New type of SOC – optical network

Принцип работы оптического
переключателя
Длина волны совпадает с резонансной частотой (левый рис.)
Длина волны не совпадает с резонансной частотой (правый рис.)