Siliziumlaser

Silizium-Mikrochips, die daumennagelgroßen Mikroprozessoren, die das Gehirn eines PCs ausmachen, steuern auf eine Katastrophe zu, die durch ihren eigenen bemerkenswerten Erfolg verursacht wurde. Da Chips schneller werden, haben die Elektronen, die Nachrichten durch die winzigen Metalldrähte innerhalb der integrierten Schaltung transportieren, Schwierigkeiten, Schritt zu halten.

Ein Ort, an dem dieses sich abzeichnende Problem besonders akut ist, sind die ultraschnellen Uhren, die zum Beschleunigen der Berechnungen verwendet werden. Grob gesagt bedeuten schnellere Uhren schnelleres Rechnen; Mikroprozessoren laufen heute mit Taktraten von über einem Gigahertz (eine Milliarde Impulse pro Sekunde) und werden immer schneller. Bald, sagt Lionel Kimerling, Direktor des Microphotonics Center des MIT, werden Elektronen, die sich durch Metalldrähte bewegen, einfach zu langsam sein, um Schritt zu halten. Angenommen, irgendwo in der Zukunft steht eine 10-Gigahertz-Uhr. Es sei unmöglich, ein solches Signal elektrisch zu verteilen, erklärt er. Die Lösung, sagt Kimerling, sind winzige gepulste Laser, die die Taktsignale über den Prozessorchip verteilen können. Intel hält drei Gigahertz für ein großes Problem, sagt Kimerling, und bis dahin sind es noch etwa zwei Jahre.

Ein besseres Rückgrat aufbauen

Diese Geschichte war Teil unserer Juni-Ausgabe 2001



  • Siehe den Rest der Ausgabe
  • Abonnieren

Über ein Dutzend Forschungsgruppen rennen um die Entwicklung optischer Miniaturgeräte, die direkt in den Siliziumchip integriert werden können. Es wäre eine Art optisches Netzwerk, um Daten um den Mikroprozessor herum zu übertragen und seine Fähigkeiten auf die gleiche Weise zu steigern, wie Glasfasern die Telekommunikation verändert haben. Aber es gibt ein Problem: Silizium ist ein mieser Lichtstrahler.

Der Fluch von Silizium ist, dass es im Jargon der Physiker ein Material mit indirekter Bandlücke ist. Andere Halbleitermaterialien sind gute Lichtemitter, denn wenn ihre Elektronen durch einen Strom auf eine höhere Energie geschleudert werden, können die Elektronen wieder ganz nach unten fallen und dabei ein Photon abfeuern. Pumpen Sie viele Elektronen schnell in einen höheren Energiezustand, und Sie können einen Laser herstellen. So funktioniert beispielsweise der Halbleiterlaser eines DVD-Players. Aber die Gesetze der Physik sagen, dass die Elektronen im Silizium nicht direkt in einen niedrigeren Zustand zurückkehren können. Infolgedessen gibt das Elektron seine Energie normalerweise nicht als Licht, sondern als Wärme ab.

Es gibt zwei Strategien, um das Lichtproblem von Silizium zu überwinden. Einige Forscher, darunter Kollegen von Kimerling am Microphotonics Center des MIT, entwickeln Lichtemitter und Detektoren aus den Geschwistern von Silizium – Halbleitern wie Galliumarsenid – die direkt auf Siliziumchips gepfropft werden können. Andere Gruppen haben Wege gefunden, Silizium selbst dazu zu bringen, das gewünschte Licht zu emittieren.

1996 berichteten Philippe Fauchet und seine Kollegen von der University of Rochester über eine Leuchtdiode aus Silizium. Das Gerät hatte eine wichtige Eigenschaft: Anstelle eines anderen Lasers oder einer anderen Lichtquelle konnte ein elektrischer Strom zum Auslösen der Lichtemission verwendet werden. Aber, sagt Fauchet, die Effizienz des Geräts bei der Lichtemission ist zu gering, um Chiphersteller zu interessieren. Bei diesen lichtemittierenden Geräten liege die Energieeffizienz bei etwa 0,1 Prozent, erklärt er. Aber der akzeptable Mindeststandard in der Branche ist ein Prozent, bevor sie mit Ihnen sprechen.

Die Lichtemissionsleistung von Silizium wurde im vergangenen November gesteigert, als Lorenzo Pavesi von der Universität Trient in Italien herausfand, dass Silizium-Nanopartikel Licht verstärken können. Das Spannende daran war, dass die Verstärkung der erste Schritt zur Herstellung eines Siliziumlasers ist. Mit einem Laser ist es ein ganz neues Ballspiel, sagt Fauchet. Einige der Effizienzprobleme verschwinden. Die Nanokristalle müssen jedoch nicht mit elektrischem Strom, sondern mit einem Laser stimuliert werden.

Im März entdeckte dann eine Gruppe unter der Leitung von Kevin Homewood von der englischen University of Surrey einen anderen Weg, um Silizium von selbst zum Leuchten zu bringen. Unser Ansatz verwendet absolut Standard-Silizium-Technologie, sagt Homewood. Diese siliziumbasierten Leuchtdioden seien nicht auf Effizienz optimiert, räumt Homewood ein, aber sie seien nur um den Faktor drei von herkömmlichen Leuchtdioden entfernt. Der nächste Schritt von Homewood besteht darin, zu versuchen, Laseraktionen zu erzielen. Ich glaube nicht, dass die Physik gegen uns ist, sagt er.

Trotz dieser verlockenden Erfolgsspuren steht die Forschung im Bereich des lichtemittierenden Siliziums laut Fauchet vor großen Herausforderungen. Das Problem bei all diesen Geräten, auch bei uns, sei die geringe Effizienz, sagt er. Als Forschung ist es sehr interessant, aber Intel springt noch nicht.

Dennoch sieht die Zukunft der Silizium-Mikrophotonik rosig aus. Egal, ob es sich um Siliziumlaser oder Lichtemitter aus einem anderen Halbleiter handelt, Kimerling sagt, die Integration optischer Bauelemente in Siliziumchips sei der nächste große Schritt in der Photonik. Für eine Multimilliarden-Dollar-Chipindustrie, die auf Silizium basiert, tickt die Uhr schnell in Richtung dieses Schritts.

verbergen

Tatsächliche Technologien

Kategorie

Unkategorisiert

Technologie

Biotechnologie

Technologierichtlinie

Klimawandel

Mensch Und Technik

Silicon Valley

Computer

Mit News Magazine

Künstliche Intelligenz

Platz

Intelligente Städte

Blockchain

Reportage

Alumni-Profil

Alumni-Verbindung

Mit News Feature

1865

Meine Sicht

77 Mass Avenue

Treffen Sie Den Autor

Profile In Großzügigkeit

Auf Dem Campus Gesehen

Lerne Den Autor Kennen

Alumni-Briefe

Nicht Kategorisiert

77 Massenallee

Rechnen

Tech-Richtlinie

Lernen Sie Den Autor Kennen

Nachrichten

Wahl 2020

Mit Index

Unter Der Kuppel

Feuerwehrschlauch

Unendliche Geschichten

Pandemie-Technologieprojekt

Vom Präsidenten

Titelstory

Fotogallerie

Empfohlen