IBMs nye avalanche fotodetektorer på en silisiumbrikke. Fotografiet er tatt ved hjelp av et optisk mikroskop. (Bilde: IBM)

Gjennombrudd for optikk mellom databrikker

Kan åpne for minst 500 ganger raskere datamaskiner.

De fleste av dagens datamaskiner består av flere integrerte kretser som er i plassert i det som ofte kalles databrikker eller «chips». Disse brikkene kommuniserer med hverandre via kobberledere.

Det er mange utfordringer med slike forbinder når overføringshastighetene blir store. Varmeutvikling og interferens er blant disse.

Derfor har forskere i blant annet IBM i flere år forsøkt å finne løsninger som kan erstatte kobberlederne, siden disse raskt vil kunne bli en flaskehals.

Å overføre dataene ved å sende lys mellom brikkene er et lovende alternativ, men også her har det lenge vært utfordringer.

IBM har sett på mulighetene for å bruk «avalanche» fotodetektorer som delvis er laget av germanium. Disse benytter en form for snøskredeffekt i materialet til mange ganger å forsterke ladningen som frigjøres når en innkommende lyspuls mottas. Videoen nederst i saken viser hvordan dette fungerer.

Problemet med tradisjonelle fotodetektorer av denne typen er at de ikke er i stand til å detektere raske, optiske signaler fordi «snøskredene» bygges opp langsomt.

IBM har nå laget en enhet som selskapet kaller «nanophotonic avalanche photodetector», som skal være den raskeste av sitt slag og som selskapet mener vil kunne ha stor betydning for framtiden elektronikk.

- Denne oppfinnelsen bringer visjonen om optiske forbindelser mellom brikker mye nærmere realiteten, sier T.C. Chen, sjef for vitenskap og teknologi ved IBM Research, i en pressemelding.

- Med optisk kommunikasjonsmidler integrert inn i prosessorbrikkene kan det å bygge energieffektive datasystemer med ytese i exeflops-nivået bli mulig i en ikke altfor fjern framtid, mener Chen.

En exaflops er det samme som 1018 flyttallsoperasjoner i sekundet. Verdens kraftigste datamaskin i dag, «Jaguar» som eies av Oak Ridge National Laboratory, har en målt ytelse på 1,76 petaflops (1015) - altså 1/568 av en exaflops.

Fotodetektoren som IBM nå har demonstrert, kan motta informasjonssignaler med en hastighet på 40 gigabit per sekund, for deretter å forsterke dem flere titalls ganger. Like interessant er det at dette kan gjøres med så lav spenning som 1,5 volt, noe som kan leveres av et enkelt AA-batteri.

Tradisjonelle fotodetektorer av denne typen krever strømforsyning med en spenning på mellom 20 og 30 volt.

I IBMs enhet skal avalanche-multipliseringen skje over en avstand på bare noe titalls nanometer. Fordi enheten er så liten, er multipliseringsstøyen også redusert med 50 til 70 prosent, sammenlignet med tradisjonelle avalanche fotodetektorer.

En annen viktig faktor ved IBMs nye enhet, er at den er laget av silisium og germanium, som begge er materialer som er mye brukt i produksjonen av mikroprosessorer. Enheten er også laget ved hjelp av standardprosesser som allerede brukes i forbindelse med brikkeproduksjon, noe som gjør at detektorene kan bygges side ved side med silisiumtransistorer i morgendagens brikker.

IBMs nye avalanche fotodetektorer på en silisiumbrikke. Fotografiet er tatt ved hjelp av et optisk mikroskop.
IBMs nye avalanche fotodetektorer på en silisiumbrikke. Fotografiet er tatt ved hjelp av et optisk mikroskop. Bilde: IBM

IBM kaller denne oppfinnelsen for den siste brikken i et puslespill som fullfører utviklingen av enhetene som er nødvendig for å bygge optiske forbindelser mellom brikker.

Også Intel har gjort mye arbeid innen det samme feltet. Allerede i 2008 kunngjorde selskapet at det hadde laget en tilsvarende avalanche fotodektektor, bare at den utelukkende var laget av silisium. Men ifølge IBM har tidligere demonstrasjoner av denne typen lyssensorer alltid krevd betydelig høyere spenning.

IBM mener at faktisk integrasjon av fotonikkenheter som dette i mikroprosessorbrikker sannsynligvis vil kunne skje innen fem til ti år.

    Les også:

Til toppen