Saksalaisessa Jülichin tutkimuskeskuksessa on onnistuttu kehittämään erittäin tehokas, piisirulle integroitava laser. Germaniumin ja tinan yhdistelmästä rakennettu laser on tehokkuudeltaan samaa luokkaa kuin tavanomaiset galliumista ja arseenista valmistetut GaAs-puolijohdelaserit.
Optinen tiedonsiirto sallii huomattavasti suuremmat tiedonsiirtonopeudet kuin nykyinen elektroninen prosessi. Samalla se kuluttaa vähemmän energiaa. JO nyt aina, kun dataa pitää siirtää yli metrin matka vaikkapa datakeskuksessa, siirto tapahtuu kuidussa.
Jatkossa optiset ratkaisut ovat kysyttyjä yhä lyhyemmille etäisyyksille, esimerkiksi korttien välillä ja jopa piirin sisällä. Tämä koskee erityisesti tekoälyjärjestelmiä (AI), joissa suuria tietomääriä on siirrettävä suuren verkon sisällä sirun ja algoritmien kouluttamiseksi.
Professori Detlev Grützmacherin mukaan tärkein puuttuva komponentti on halpa laser. - Piipohjaisen CMOS-tekniikan kanssa yhteensopiva sähköisesti pumpattava laser olisi ihanteellinen, Grützmacher selittää.
Tällainen laser voitaisiin yksinkertaisesti muotoilla sirujen valmistusprosessin aikana, koska koko sirujen tuotanto perustuu viime kädessä tähän tekniikkaan. Tässä on kuitenkin yksi ongelma: puhdas pii ei sovellu lasermateriaaliksi. Tällä hetkellä lasereiden valmistuksessa käytetään erilaisia materiaaleja. Yleensä sen sijaan käytetään III – V- ryhmien yhdistepuolijohteita. Niiden kidehilalla on kuitenkin täysin erilainen rakenne kuin piillä, joten valmistukseen tulee lisävaiheita, mikä nostaa kustannuksia.
Grützmacherin tiimin kehittämä uusi laser voidaan sitä vastoin valmistaa CMOS-tuotantoprosessin aikana. Se perustuu germaniumiin ja tinaan, kahteen ryhmän IV alkuaineeseen. Jo vuonna 2015 Jülichin tutkijat osoittivat, että lasersäteily voidaan saada GeSn-yhdistelmästä, kunhan tinapitoisuus pidetään korkeana, yli 12 prosentissa.
Jülichin tutkijoiden kehittämää patentoitua epitaksiaalista kasvuprosessia käyttävät useat tutkimusryhmät ympäri maailmaa. Lisäämällä tinapitoisuutta edelleen on jo tehty lasereita, jotka toimivat paitsi alhaisissa lämpötiloissa myös 0 Celsius-asteessa.
- Korkea tinapitoisuus vähentää laserin tehokkuutta. Laser vaatii kuitenkin suhteellisen suuren pumppaustehon. Jos tinaa on 12–14 prosenttia, pitää tehon olla 100–300 kilowattia neliösentillä, selittää tutkija Nils von den Driesch.
Uuden laserin osalta tutkijat alensivat tinapitoisuutta noin 5 prosenttiin, mikä alensi tarvittavan pumppaustehon 0,8 kW / cm2. Tämä tuottaa niin vähän hukkalämpöä, että laseri voidaan käyttää paitsi pulssitilassa myös jatkuvassa toimintatilassa.
Tekoälyn siirtyminen pilvestä laitteisiin nostaa esiin uuden vaatimuksen: suorituskyky ei synny pelkästä raudasta tai ohjelmistosta, vaan niiden yhteispelistä. Sulautetussa AI:ssa laitteistoarkkitehtuuri ja mallien optimointi ratkaisevat, kuinka paljon laskentaa voidaan tuoda paikallisesti ilman pilviyhteyttä.
