По мере повсеместного экспоненциального роста трафика данных, самым узким местом все чаще становятся электрические связи внутри микросхем. Очевидными преемниками электрических соединений являются оптические, однако необходимых для этого наноразмерных источников света до сих пор не было. Создать источник света с требуемыми характеристиками удалось ученым технологического университета Эйндховена (TU/e): нано-светодиод, превосходящий своих предшественников по эффективности в 1000 раз, способен обрабатывать гигабиты данных в секунду. Результаты их исследований были опубликованы в онлайн журнале Nature Communications.

Фотография нового нано-светодиода и некоторых дополнительных деталей, сделанная с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Нано- или микроватты

По мере того, как электрические кабели приближаются к переделам своей пропускной способности, оптоволоконная связь все активнее претендует на роль стандарта для передачи данных. При больших расстояниях почти все данные передаются по оптическим каналам. Как внутри компьютерных систем, так и внутри микросхем происходит экспоненциальный рост объема трафика, но оставаясь электронным, этот трафик все чаще становится узким местом. Поскольку именно на эти соединения («межсоединения») приходится бóльшая часть потребляемой микросхемами энергии, множество ученых во всем мире работает над созданием оптических (фотонных) межсоединений. Ключевым элементом для них является малогабаритный источник света, преобразующий информацию в световые сигналы, который должен иметь размеры, позволяющие разместить его в микроскопических структурах кристаллов микросхем. В тоже время, он должен иметь хорошую нагрузочную способность и достаточную эффективность. Особой проблемой является эффективность, которая у малогабаритных источников света нано- или микроваттной мощности до настоящего времени оставалась крайне низкой.

Уменьшены потери света

Исследователи технологического университета Эйндховена разработали светодиод размером несколько сотен нанометров с интегральным световым каналом (световодом) для передачи оптического сигнала. Этот интегральный нано-светодиод в 1000 раз эффективнее лучших аналогов, разработанных в любом другом месте. Особого прогресса исследователи из Эйндховена добились в повышении качества интегрального соединения источника света и оптического канала, в результате чего намного уменьшены потери и, соответственно, увеличено количество света поступающего в световод. Эффективность новых нано-светодиодов на сегодня находится в диапазоне от 0.01% до 1%, однако исследователи рассчитывают значительно улучшить этот показатель за счет использования новой технологии производства.

Подслой фосфида индия

Другой важной характеристикой нового нано-светодиода является то, что в кремниевую подложку он интегрирован на подслое фосфида индия. Кремний является основным материалом для микросхем, но, в отличие от фосфида индия, для источников света он не подходит. Кроме того, как показали тесты, новый элемент быстро преобразует электрические сигналы в оптические и может обрабатывать данные со скоростью в несколько гигабит в секунду.

Жизнеспособность

Исследователи из Эйндховена считают, что их нано-светодиоды – это жизнеспособное решение, которое устранит преграды на пути роста внутрикристального трафика данных. Тем не менее, перспективы новой технологии они оценивают с осторожностью. Эта разработка еще не достигла стадии, когда она могла бы использоваться в массовом промышленном производстве, и для того, чтобы придать ей такой статус, еще потребуется определенное время.