Plasmonics: den nya metoden för att länka processorer med hjälp av ljus

Fiberoptiska länkar är redan den primära metoden för att överföra data mellan grupper av servrar i datacenter, och ingenjörer vill ta med sig sin otroliga bandbredd till processorer . Detta steg har en hög kostnad men nyckeln ligger i vad de har dubbat Plasmonik (plasmonik) , en metod enligt vilken flera processorer kan länkas med hjälp av ljus men utan behov av fiberoptik.

Kiselfotonkomponenter är enorma jämfört med deras elektroniska motsvarigheter, och det förhindrar för närvarande deras användning i processorer som, som ni vet, arbetar med transistorer med dimensioner av nanometer. Detta skapar betydande ytterligare svårigheter och kostnader, men forskare vid University of Toronto i USA och vid ARM själva tror att de kraftigt kan minska dessa problem.

plasmonik

Plasmonics, eller hur man länkar processorer med hjälp av ljusstrålar

Att kiselfotonkomponenter är mycket större än elektroniska är inte för att tekniken inte tillåter dem att göras mindre, utan för att det är en funktion av de optiska våglängderna, som är mycket större än nuvarande transistorer och kopparförbindelser. som länkar kretsarna. De fotoniska komponenterna i kisel är också för känsliga för temperaturförändringar, så mycket att flisen måste innehålla värmeelement som upptar ungefär hälften av deras yta och energiförbrukning.

plasmonik

I en virtuell konferens beskrev en forskare från Amr S. Helmy-laboratoriet nya kiseltransceiverkomponenter som kringgår båda problemen genom att förlita sig på Plasmonics snarare än fotonik. Resultaten pekar på sändtagare som kan fördubbla (åtminstone) bandbredden medan de konsumerar en tredjedel och upptar 20% av området; Dessutom kan de byggas direkt ovanpå processorn snarare än på separata chiplets, vilket görs med kiselfotonik.

När ljus träffar gränsytan mellan en metall och en isolator i en låg vinkel bildas plasmoner: vågor med elektrondensitet som sprider sig längs metallytan. Det är bekvämt att plasmoner kan färdas nerför en vågledare som är mycket smalare än det ljus som bildar den, men de stänger vanligtvis mycket snabbt eftersom metallen absorberar ljuset.

Således har Toronto-forskarna uppfunnit en struktur för att dra nytta av den mindre storleken på plasmonics och samtidigt kraftigt minska energiförlusten. Kallas en kopplad hybrid plasmonvågledare (CPHW), den består i huvudsak av en stapel bestående av kisel, indium, tennoxid, kiseldioxid, aluminium och mer kisel. Denna kombination bildar två typer av halvledarkorsningar, en Schottky-diod och en metalloxidhalvledare, med aluminium som innehåller plasmon gemensamt mellan de två. Inom metallen stör plasmon vid den övre korsningen den vid den nedre korsningen på ett sådant sätt att förlusten minskas med nästan två storleksordningar.

plasmonik

Med CPHW som bas byggs två viktiga fotoniska komponenter: en modulator som omvandlar elektroniska bitar till fotoniska och en fotodetektor, vilket gör det motsatta. Modulatorn upptar endast 2 kvadrat mikrometer och kan växla mellan tillstånd med en frekvens på 26 GHz, gränsen för den utrustning som är tillgänglig för forskare, men enligt den uppmätta kapacitansen skulle den teoretiska gränsen vara inte mindre än 636 GHz.

Vad skulle den här tekniken göra?

Att länka flera processorer har enorma beräkningsfördelar; Tänk dig att vi bokstavligen kan ha två processorer som körs samtidigt i systemet, utan gränssnitt som begränsar deras bandbredd. För närvarande är det möjligt att sända upp till 39 Gbps, men denna teknik gör det möjligt att sända bekvämt och utan att behöva tillgripa felkorrigering vid 150 Gbps, så vi skulle prata om mer än fyra gånger fler bitar per sekund och alla integrerade i samma paket, utan att behöva använda chiplet-teknik.

Kort sagt, att länka flera processorer på detta sätt skulle göra det möjligt för oss att avsevärt öka prestandan som en processor kan ge oss idag, och dessutom skulle det möjliggöra att integrera processorer i processorer nästan bokstavligen, multiplicera bruttoprestandan med två.