Intels Durchbruch

Das Mooresche Gesetz, das in diesem Frühjahr seinen 40. Geburtstag feierte, war der größte Segen der Halbleiterindustrie. 1965 prognostizierte Intel-Mitbegründer Gordon Moore, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Computerchip alle zwei Jahre verdoppeln würde. Damals enthielt ein Chip nur ein paar Dutzend Transistoren. Heute enthält Intels High-End-Chip mehr als 1,7 Milliarden Transistoren, und es wird erwartet, dass diese Zahl bis 2012 10 Milliarden überschreiten wird. Dieser stetige Marsch von vier Jahrzehnten hat die moderne Computerrevolution vorangetrieben und Intel zu einem Technologie-Kraftpaket gemacht.

Aber die Fähigkeit, immer mehr Transistoren und andere Schaltungen auf Chips zu packen, verschärft eine Reihe von Problemen, die, wenn sie schwerwiegend genug werden, das Wachstum der bestehenden Silizium-basierten digitalen Wirtschaft bedrohen könnten. Nur einige der Problembereiche: Hitzeentwicklung, Stromaustritt aus Stromkreisen, elektrisches Übersprechen zwischen benachbarten Drähten. Die neuesten CPUs für Desktop-Computer verbrauchen beispielsweise 100 Watt Strom. Laptop-CPUs sind im Allgemeinen effizienter, da sie die Akkulaufzeit maximieren sollen. Aber selbst sie verbrauchen mittlerweile bis zu 75 Watt. Es ist, als würde man einen Toaster auf den Schoß legen, sagt Pat Gelsinger, Senior Vice President von Intel. Eine Lösung, von der erwartet wird, dass sie weit verbreitet ist, besteht darin, die Anzahl der Transistoren auf einem Chip zu erhöhen, indem sie nicht kleiner gemacht werden, sondern einfach das gleiche Schaltungsmuster zwei- oder mehrmals auf derselben Siliziumplatte platziert wird. Intel hat in diesem Frühjahr seine ersten solchen Dual-Core-Chips veröffentlicht. Und Intel-Führungskräfte stellen sich eine Zukunft mit vielen Kernchips vor, mit bis zu tausend Prozessoren nebeneinander.

Aber es gibt einen Haken. Die Kupferdrähte, die den digitalen Strom transportieren eins s und 0 s in und aus einem Computer und zwischen Prozessoren in einigen Computern können nur eine begrenzte Menge Daten so schnell übertragen. Wenn ich die Leistung [eines Prozessors] verdoppele, muss ich die Leistung auf und außerhalb des Chips verdoppeln, sagt Gelsinger. Kupfer, unsere traditionelle Verbindungstechnologie, verliert an Geschwindigkeit.



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Das Problem besteht darin, dass elektrische Impulse, die durch einen Kupferdraht wandern, auf einen elektrischen Widerstand treffen, der die Informationen, die sie tragen, verschlechtert. Daher müssen Datenbits, die durch Kupfer wandern, weit genug voneinander entfernt sein und sich langsam genug bewegen, damit Geräte am anderen Ende des Kabels sie aufnehmen können. Diese Einschränkung führt bereits zu Datenstaus in lokalen Netzwerken, die Kupferdrähte zur Verbindung von Computern verwenden. Und viele Experten sagen voraus, dass es zu Engpässen für den Datenverkehr zwischen mehreren Prozessoren innerhalb einzelner Computer kommen wird. Das Ergebnis ist, dass Computer, selbst wenn das Mooresche Gesetz weiterhin gilt, die erhöhte Leistung, die es liefert, nicht mehr nutzen können, da sie nicht in der Lage sein werden, Daten schnell genug auf und von den Chips zu verschieben, um mit den Prozessoren Schritt zu halten . Dies ist eine grundlegende Herausforderung: Computer müssen einen schnelleren Weg finden, um riesige Datenmengen sowohl innerhalb als auch zwischen den Chips zu übertragen.

Betreten Sie den Siliziumlaser. Optische Verbindungen können tausendmal mehr Daten pro Sekunde übertragen als Kupferkabel. Doch bestehende optische Komponenten, die aus exotischen Halbleitern wie Galliumarsenid und Indiumphosphid bestehen, sind für den Einsatz in einzelnen Computern oder gar lokalen Netzwerken viel zu teuer. Wenn man optische Geräte aus Silizium herstellen könnte, was billig und, zumindest für ein Unternehmen wie Intel, einfach herzustellen ist, würde das alles ändern. Der Wechsel zur Siliziumoptik würde Siliziumchips eine grundlegende neue Fähigkeit verleihen: die Fähigkeit, Licht zu manipulieren und darauf zu reagieren. Unternehmen würden diese Fähigkeit wahrscheinlich zuerst nutzen, indem sie Kupferverbindungen durch optische Verbindungen in Netzwerken ersetzen. Aber irgendwann könnte Silizium-Photonik auch Kupferdrähte zwischen Prozessoren innerhalb eines einzelnen Chips ersetzen. Chipdesigner stellten sich auch vor, Siliziumoptiken in den internen Taktgebern zu verwenden, die Mikroprozessoren zum Ausführen von Befehlen verwenden, was die Taktgeschwindigkeit – und damit die Rechengeschwindigkeit – dramatisch erhöhen würde.

Bis vor kurzem waren alle Spekulationen über das Potenzial der Siliziumoptik hypothetisch: Geeignete Siliziumlaser gab es nicht. Aber die Dinge änderten sich im letzten Winter, als das Labor des Intel-Wissenschaftlers Mario Paniccia den ersten kontinuierlichen Ganzsiliziumlaser meldete. Das experimentelle Gerät wurde mit den gleichen Herstellungsmethoden gebaut, die Siliziumchips herstellen, und lieferte einen stetigen Strom von Infrarotphotonen, eine Leistung, die viele Forscher bei Silizium für unmöglich gehalten hatten.

Die Siliziumphotonik steht noch am Anfang. Aber das Intel-Ergebnis, das auf Erkenntnissen aufbaut, die im vergangenen Jahr in einer Flut von Veröffentlichungen über Fortschritte bei siliziumbasierten optischen Komponenten veröffentlicht wurden, überzeugt viele Experten davon, dass es praktisch werden könnte, optische und elektronische Technologie auf Computerebene eng zu verknüpfen. Die Fortschritte von Paniccias Team waren bemerkenswert, sagt Graham Reed, ein Pionier der Siliziumphotonik an der University of Surrey in England. Jetzt glauben alle Skeptiker, dass Silizium einen echten Einfluss auf die Optik haben wird.

Erwartete Fortschritte in der Siliziumtechnologie werden mit ziemlicher Sicherheit das Mooresche Gesetz auf absehbare Zeit aufrecht erhalten und immer schnellere Computer schaffen. Durch die Beschleunigung immenser Datenmengen in und aus Chips und zwischen Maschinen könnte die Silizium-Photonik den Menschen helfen, auf diese enorme Rechenleistung zuzugreifen.

Mieser Emitter
Glasfasern bilden das Rückgrat von Fernmeldenetzen und sind maßgeblich für die Geschwindigkeit des Internets verantwortlich. Aber optische Komponenten sind nicht billig. Das optische Senden und Empfangen von Daten erfordert einen Laser, der einen Lichtstrahl erzeugt; ein Modulator, der diesen Strahl in Ein-/Aus-Bursts zerhackt, die digitales darstellen eins s und 0 S; Wellenleiter, die das Licht durch Chips leiten; und Fotodetektoren, die das Licht einfangen und wieder in ein elektronisches Signal umwandeln. Derzeit werden diese Geräte nicht aus Silizium hergestellt und kosten Tausende von Dollar in der Installation. Telekommunikationsanbieter können sich diese Preise leisten, aber die Technologie für das Verschieben von Daten innerhalb eines Computers zu ermöglichen, bedeutet, die Preise um Größenordnungen zu senken.

Silizium könnte die Antwort sein. Für uns ist Silizium vielleicht keine religiöse Erfahrung, aber es ist ziemlich nah, sagt Gelsinger. Silizium hat sich als kostengünstig, skalierbar, langlebig und herstellbar erwiesen und hat alle möglichen anderen wunderbaren Eigenschaften. Photonische Bauteile aus Silizium würden Optiken erschwinglicher machen und die Einsatzmöglichkeiten erweitern. Optik ist heute eine Nischentechnologie. Morgen ist es der Mainstream jedes Chips, den wir bauen, sagt Gelsinger.

Bis vor etwa einem Jahr sah es so aus, als würde Silizium in der Optik nie eine bedeutende Rolle spielen. Silizium sei an sich nicht das beste optische Material, erklärt Reed. Zu seinen offensichtlichsten Nachteilen gehört, dass es ein mieser Lichtsender ist. Wenn die Elektronen im Silizium angeregt werden, setzen sie statt Photonen das Kristallgitter des Siliziums in Schwingung. Das Ergebnis ist Wärme, kein Licht. Im Gegensatz dazu emittieren Halbleiter wie Galliumarsenid und Indiumphosphid bei elektrischer Anregung Licht. Während Forscher also seit Jahren von den Aussichten eines optischen Chips fasziniert waren, war man sich einig, dass Silizium nicht das richtige Material war, um ihn zu bauen.

Dann, in den späten 1990er Jahren, berichteten Forscher über eine Reihe ermutigender, wenn auch vorläufiger Fortschritte in der Siliziumoptik (siehe Upstream, Technologieüberprüfung, Juni 2001 ). Bei Intel überzeugten die Fortschritte des Paniccia-Teams die Führungskräfte, das Silizium-Photonik-Programm des Unternehmens auszubauen. Intels erster Durchbruch gelang im Februar 2004, als Paniccia in der Zeitschrift berichtete Natur dass seine Gruppe einen Siliziummodulator hergestellt hatte, der in der Lage war, einen stetigen Lichtstrom von einem Laser in schnelle Pulse digitaler Einsen und Nullen mit einer Geschwindigkeit von einer Milliarde Hertz oder einem Gigahertz umzuwandeln, ein 50-facher Fortschritt gegenüber dem vorherigen experimentell nachgewiesenen Rekord für Silizium. Aber es war immer noch nicht annähernd schnell genug, sagt Reed. In diesem Frühjahr berichteten Intel-Forscher unter der Leitung des Materialwissenschaftlers Ling Liao über einen Silizium-Modulator, der mit 10 Gigahertz läuft und damit in etwa gleichauf mit anderen optischen Modulatoren.

Aber die entscheidende silizium-photonische Komponente war immer noch der Laser. Im vergangenen September berichteten vier verschiedene Gruppen, darunter die von Paniccia, über Siliziumlaser, die stakkatoartige Lichtimpulse abfeuern. Da Silizium bei der Umwandlung elektrischer Ladungen in Licht eine schlechte Arbeit leistet, waren alle diese Siliziumlaser auf externe Laser als Energiequellen angewiesen. Wie alle chipbasierten Laser arbeiten die Siliziumlaser, indem sie Energie – in diesem Fall Photonen einer anderen Lichtquelle – in einen Photonenstoß mit im Wesentlichen gleicher Wellenlänge und Phase umwandeln. Die Intel-Forscher machten sich ein seit langem bekanntes Prinzip namens Raman-Effekt zunutze, bei dem Photonen durch Kollisionen mit schwingenden Atomen Energie gewinnen.

Gepulste Laser eignen sich jedoch nicht zum Übertragen von Daten. Optikingenieure bevorzugen kontinuierliche Laser, die sie mit Modulatoren schneiden und würfeln können, um Datensignale zu erzeugen. Aber alle Gruppen kämpften mit dem gleichen Problem. Da sie die Menge an kontinuierlichem Laserlicht erhöhten, die sie in die Siliziumchips einspeisten, stieg auch die Wahrscheinlichkeit, dass Paare von einfallenden Photonen gleichzeitig auf ein einzelnes Siliziumatom treffen. Als dies geschah, schleuderten die Siliziumatome Elektronen aus ihren Atombahnen, und diese mobilen Ladungen verschlang unersättlich Photonen. Der einfallende Laser musste gepulst werden, um den Elektronen die Millionstel Sekunden zu geben, die sie brauchten, um ihre überschüssige Energie abzugeben und sich in ihren Ruhezustand zurückzuziehen.

jenseits von fleischschnabeltoren

Das Team von Paniccia hat eine Antwort gefunden, die sowohl brillant als auch für diejenigen, die mit der Siliziumtechnologie vertraut sind, konzeptionell einfach war. In den Intel Laserchip war ein Silizium-Wellenleiterkanal eingraviert, in dem Licht hin und her reflektiert wurde und an Intensität zunahm. Die Forscher implantierten Elektroden auf beiden Seiten des Kanals. Wenn sie eine Spannung zwischen den Elektroden anlegten, erzeugte dies ein elektrisches Feld, das die negativ geladenen Elektronen in Richtung der positiv geladenen Elektrode trieb und sie effektiv aus dem Weg räumte. Dadurch konnten sich die Photonen ungehindert aufbauen, bis sie einen kontinuierlichen Laserstrahl erzeugten.

Im vergangenen Winter, drei Tage vor Weihnachten, sahen die Kollegen von Paniccia Haisheng Rong und Richard Jones erste Anzeichen dafür, dass die Strategie aufging: eine Linie auf dem Display eines optischen Spektrumanalysators, die anzeigte, dass die vom Laser erzeugten Infrarotphotonen in einem stetigen Strom.

Auf der Innenseite
Intel-Forscher müssen noch Wege finden, neben elektronischen Komponenten auf Chips auch Siliziumlaser herzustellen. Elektronische Schaltungen werden durch den mühsamen Prozess des Aufbringens und Ätzens von Dutzenden von Materialschichten hergestellt. Einige dieser Schritte erfordern Temperaturen von weit über 1.000 °C oder die Einwirkung von ätzenden Chemikalien. Die Ingenieure von Intel müssen also sicherstellen, dass die zum Aufbau der optischen Geräte erforderlichen Schritte die elektronische Schaltung nicht beeinträchtigen und umgekehrt.

Als erste Demonstration der Nützlichkeit der Siliziumphotonik plant Paniccia noch in diesem Jahr, mehrere Modulatoren und andere optische Komponenten auf einem Stück Silizium zu integrieren; Dieses Setup soll Datenübertragungsgeschwindigkeiten von 100 Gigabit pro Sekunde ermöglichen. Ein solcher Prototyp, so hofft Paniccia, wird das Potenzial der Silizium-Photonik veranschaulichen, Daten weitaus effizienter in und aus Chips zu transportieren als alles, was derzeit auf dem Markt erhältlich ist.

Als Paniccia in diesem Frühjahr durch eines seiner neu renovierten Labors ging, zeigte er ein Modell eines optischen Ethernet-Kabels, das Siliziumphotonik verwenden würde. Während Paniccia normalerweise die bescheidene, vorsichtige Haltung eines Wissenschaftlers beibehält, ist es klar, dass er die Requisite gerne nutzt, um seine Vision von der neuen Rolle von Silizium zu verkaufen. Am Ende des Spaghetti-Strang-dünnen Kabels sitzt ein Stecker, der dem Ende eines Telefonkabels ähnelt, mit Metallpads, die unter winzigen Schlitzen in einer Silikonhülle sitzen. In einer funktionalen Version des Kabels würden elektrische Signale von einem Computerchip durch diese Metallpads zu einem photonischen Siliziumchip innerhalb des winzigen Steckers geleitet, wo sie in einen Strom von Lichtimpulsen umgewandelt würden.

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Während das Kabel äußerlich einer bekannten Technologie ähnelt, würde das Hinzufügen billiger Silizium-Photonik Computer beispiellose Geschwindigkeit und Leistung bringen. Und es würde es Intel ermöglichen, sein berühmtes Intel Inside-Branding-Logo einer weiteren Transformationstechnologie hinzuzufügen. Diese Vision zu erkennen wird nicht einfach sein. Dennoch ist Paniccia überzeugt, dass es passieren wird. Ob wir das schaffen, steht außer Frage. Es ist wann und wie. Das war die Veränderung im letzten Jahr. Und wenn die letzte technische Barriere fällt, wird die Silizium-Photonik allgegenwärtig sein.

Robert Service ist ein in Portland, OR, ansässiger Autor, der Chemie und Materialwissenschaften für Wissenschaft.

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