Fotoniikka ja CMOS-valmistus ovat löytämässä yhteisiä säveliä ja siten tehostavat elektroniikkaa. MIT:stä irrotettu Ayar Labs on kehittänyt siruja, jotka siirtävät dataa valon avulla mutta prosessoivat laskentaa elektronisesti. Uudenlainen rakenne yhdistää nopean ja tehokkaan optisen tiedonsiirron perinteisen tietokonepiirin laskentaprosessiin.
Ayar Labsin mukaan sirut voivat vähentää energiankulutusta noin 95 prosentilla sirujen välisessä viestinnässä ja kasvattaa kaistanleveyttä kymmenkertaiseksi vastaaviin kuparipohjaisiin versioihin nähden. Massiivisissa datakeskuksissa sirut voisivat vähentää kokonaisenergiakulutusta 30-50 prosenttia, sanoo toimitusjohtaja Ayarin Alex Wright-Gladstein.
Joulukuussa Ayar sopi GlobalFoundriesin kanssa tuottavansa ensimmäisen tuotteensa, optisen Brilliant I/O-järjestelmän, markkinoille ensi vuonna.
Nykyinen mikropiiritekniikka ei sellaisenaan oikein sovi optiikkaan mutta CMOS-prosessin perusteellisten muutosten välttämiseksi Ayarin kehittäneet tutkijat keskittyivät uudenlaisiin miniatyrisoitujen optisten komponentteihin ja "hakkeroivat" perinteisen piisuunnittelun menetelmiä tavalla joka mahdollisti piirisuunnitelman sisältävän optiikkaa tiukemmin konfiguroituna kuin milloinkaan aiemmin mikropiirien rakenteissa.
Heprean yliopiston (HU) fyysikko Uriel Levy tiiminsä kanssa ovat luoneet puolestaan teknologiaa, jonka avulla tietokoneet ja optiset viestintäpiirit voivat toimia sata kertaa nopeammilla eli terahertsien nopeuksilla.
Terahertsisen mikrosirun luomisen kaksi suurta haastetta ovat ylikuumeneminen ja skaalautuvuus. Flash-muistitekniikasta tuttua MONOS-rakennetta (Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) käyttäen Levy ja hänen ryhmänsä ovat kehittäneet uudenlaisen integroidun piirirakenteen.
Nykyiset piiritason fotoniikkarakenteet, esimerkiksi mikroresonaattorit ovat oleellisia osia piifotoniikassa. Kuitenkin niiden ominaisuudet vaihtelevat liiaksi valmistuksen varianssien vuoksi. Integroimalla MONOS-rakenteita piifotoniikan piireihin voidaan tämä hankaluus voittaa, kun esimerkiksi resonaattoreiden sähköinen jälkikäteinen virittely tulee mahdolliseksi.
MONOS-rakennetta käytetään ansoittamaan varauksia ohuessa piinitridikerroksessa, joka sijaitsee piikerroksen läheisyydessä. Tämä mahdollistaa varauksen kertymisen piihin ja siten muokaten optisen tilan indeksiä ja siten resonanssitaajuutta.
Tämä lähestymistapa mahdollistaa fotonisten rakenteiden, kuten resonaattoreiden ja interferometrien tehokkaan hyödyntämisen sirutason piifotoniikan ja elektro-optiikan järjestelmissä, jotka ulottuvat suodattimista, kytkimistä ja modulaattoreista antureihin ja jopa lasereihin.
Laajimmillaan onnistuessaan tekniikka mahdollistaa nykyisten 8-16 gigahertsisten tietokoneiden toimimisen tulevaisuudessa terahertsien nopeuksilla.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 16.4.2018
