Исследователи из МФТИ нашли решение проблемы перегрева активных плазмонных компонентов, необходимых для передачи данных в оптоэлектронных микропроцессорах будущего, которые будут работать в десятки тысяч раз быстрее современных, говорится в статье, опубликованной в журнале ACS Photonics.
Быстродействие компьютеров с большим количеством ядер, а именно так выглядят высокопроизводительные процессоры уже сегодня, определяется не столько скоростью работы одного ядра, сколько скоростью обмена данными между ядрами. Между тем, электрические медные межсоединения в микропроцессорах фундаментально ограничены по пропускной способности, и в настоящее время они уже не позволяют наращивать производительность процессоров. Другими словами, двукратное увеличение количества ядер не дает двукратного роста вычислительной мощности.
Ведущие компании полупроводниковой индустрии, такие как IBM, Oracle, Intel, HP и др. видят единственным решением этой проблемы переход от электроники к фотонике, на что они уже сегодня инвестируют миллиарды долларов. Замена электронов на фотоны позволит передавать большие объемы данных между ядрами процессора практически мгновенно и масштабировать их производительность пропорционально количеству ядер. Однако из-за дифракции фотонные компоненты нельзя так же легко уменьшать, как электронные. Их размер не может быть меньше величины приблизительно равной длине волны света (~ 1 микрометр или 1000 нанометров), в то время как размер транзистора в скором времени станет меньше 10 нанометров. Эту фундаментальную проблему можно решить переходом от объемных волн к поверхностным волнам, так называемым поверхностным плазмон-поляритонам, что позволит “сжать” свет до наномасштабов. Наряду с ведущими исследовательскими центрами коммерческих компаний и лабораториями ведущих университетов, разработками в этой области весьма успешно занимаются российские ученые из лаборатории нанооптики и плазмоники центра наноразмерной оптоэлектроники МФТИ.
Главным препятствием на этом пути является поглощение поверхностных плазмон-поляритонов в металле, ключевом материале плазмоники. Этот эффект аналогичен сопротивлению в электронике, где энергия электронов теряется и преобразуется в тепло при прохождении тока через резистор. Потери можно компенсировать, закачивая дополнительную энергию в поверхностные плазмон-поляритоны. Однако накачка создает дополнительное тепловыделение, которое ведет к росту температуры не только самих плазмонных компонентов, но и всего процессора. Чем выше поглощение в металле, тем больше потери, и тем более мощная требуется накачка. В свою очередь, это повышает температуру, что снова ведет к росту потерь и осложняет создание усиления, которое должно компенсировать потери, а значит требуется еще большая мощность накачки. Получается цикл, в итоге которого температура может возрасти настолько, что кристалл процессора просто разрушится. Это совсем неудивительно, поскольку плотность тепловой мощности с единицы поверхности такого активного плазмонного волновода с компенсацией потерь составляет более 10 кВт/см2 , что в два раза превышает мощность излучения у поверхности Солнца!
Дмитрий Федянин и Андрей Вишневый, сотрудники лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ, нашли способ решения этой проблемы. Они показали, что использование высокоэффективных термоинтерфейсов (известная многим термопаста является одним из видов термоинтерфейсов, правда не очень эффективным), слоев теплопроводящих материалов, находящихся между чипом и системой охлаждения и обеспечивающих беспрепятственный отвода тепла, позволит охлаждать высокопроизводительные оптоэлектронные чипы используя обычные для сегодняшнего дня системы охлаждения.
Распределение температуры в активном плазмонном волноводе на оптоэлектронном чипе с охлаждением
По результатам компьютерного моделирования Федянин и Вишневый сделали вывод: если оптоэлектронный чип с активными плазмонными волноводами разместить в воздухе, то его температура повысится на несколько сотен градусов Цельсия, что приведет к неработоспособности устройства. Многослойные термоинтерфейсы нано- и микрометровой толщины в сочетании с простыми системами охлаждения способны уменьшить температуру чипа с нескольких сотен до приблизительно 10 градусов Цельсия, относительно температуры окружающей среды. Это открывает широкие перспективы использования оптоэлектронных процессоров: от суперкомпьютеров до компактных электронных устройств.
Источник: mipt.ru/newsblog
