Ein Umdenken beim photonischen Chip-Design könnte den Energieverbrauch von Rechenzentren senken

Oct 01, 2023

Photonische integrierte Schaltkreise oder PICs sind Geräte, die die Erzeugung, Übertragung und Verarbeitung von Daten mithilfe von Lichtteilchen anstelle von Elektronen ermöglichen. PICs sind zwar noch experimentell für den Einsatz im alternativen Computing, bilden aber seit langem das Rückgrat der Telekommunikation und ermöglichen die Funktionalität der heutigen Hochgeschwindigkeits-Glasfaserleitungen.

Dank traditioneller Halbleiterherstellungsmethoden ist Silizium zur primären Plattform bei der Entwicklung dieser Art von Chips geworden, sodass Ingenieure vorhandene Elektronikfertigungsanlagen nutzen können, um sie zu entwerfen und in Massenproduktion herzustellen.

Obwohl PICs im Vergleich zu elektronischen Kommunikationsmethoden weitaus effizienter sind und eine deutlich höhere Bandbreite bieten, gibt es immer noch Raum für Verbesserungen, da photonische Siliziumchips viel Energie für die Temperaturregulierung benötigen, um ihre Datenübertragungsleistung hoch zu halten.

In diesem Artikel diskutieren wir einen Durchbruch bei der Effizienz photonischer integrierter Schaltkreise, der aus einer gemeinsamen Forschungsanstrengung von Ingenieuren und Wissenschaftlern der Oregon State University und der Baylor University resultiert, die darauf abzielen, den Stromverbrauch in Rechenzentren zu senken.

Um mehrere Lichtfrequenzen durch dasselbe photonische Medium zu übertragen und die gleichzeitige Übertragung verschiedener Signale über eine einzige optische Faser zu ermöglichen, haben Ingenieure eine Methode namens Wellenlängenmultiplex (WDM) entwickelt, mit der die Datenkanalkapazität der Technologie erhöht werden kann ohne die extrem schnelle Übertragungsrate zu beeinträchtigen.

In photonischen integrierten Schaltkreisen werden die zur Durchführung von WDM verwendeten Strukturen als Silizium-Mikroring-Resonatoren oder Si-MRRs bezeichnet, die als optische Wellenleiter fungieren, indem sie so auf sich selbst zurückschleifen, dass bei jeder optischen Pfadlänge eines einzelnen Resonators eine Resonanz auftritt misst genau eine ganze Zahl von Wellenlängen.

Durch die Herstellung dieser Art von Ringresonatoren aus Silizium kann WDM in extrem kleinem Maßstab und als Teil von Systemen mit extrem niedrigem Energieverbrauch durchgeführt werden. Eine große Herausforderung bei der Si-MRR-Technologie ist jedoch die resonante Wellenlängenempfindlichkeit aufgrund von Temperaturschwankungen und Variationen im Herstellungsprozess.

Bisher wurde bei diesen Geräten eine präzise Wellenlängensteuerung durch freie Ladungsträgerinjektion mithilfe von PIN-Dioden und thermischen Heizgeräten durchgeführt, die eine erhebliche Menge an elektrischer Energie benötigen.

Jetzt haben die Forscher von Oregon State und Baylor eine neuartige Methode vorgestellt, mit der sich dieser Energiebedarf für die Temperaturregelung um einen erstaunlichen Faktor von mehr als einer Million reduzieren lässt.

Bereits im März veröffentlichte ein Team unter der Leitung von Alan Wang, Professor an der Baylor University, seine Ergebnisse aus Experimenten mit Gate-gesteuerten Si-MRRs für die Entwicklung hocheffizienter photonischer integrierter Schaltkreise.

Um die Temperaturherausforderungen der Technologie anzugehen, entwickelte das Team von Professor Wang einen speziellen Typ eines unabhängig abstimmbaren On-Chip-WDM-Filters, der ein Array aus vier Si-MMRs mit Indiumzinnoxid (ITiO), Hafnium(IV)oxid (HfO2) und Silizium verwendet hergestellte Metall-Oxid-Halbleiter-Kondensatoren (MOS).

Die in dieser Forschung verwendete MOS-Verbindung ist ein sogenanntes hochbewegliches transparentes leitfähiges Oxid (TCO), das im Gegensatz zu PN-Übergängen viel größere elektrooptische Wirkungsgrade aufweist. Dies ist der Grund für die energiesparenden Eigenschaften dieses Durchbruchs, da durch die Verwendung von TCO-Materialien ein großer Wellenlängenabstimmbereich bei niedriger Gate-Spannung und vernachlässigbarem Stromverbrauch erreicht werden kann.

Laut Professor John Conley vom Oregon State College of Engineering war ihr Team dank seines Wissens über Atomlagenabscheidung und elektronische Geräte sowie Professor Wangs Fachwissen über Photonik in der Lage, einen funktionsfähigen PIC-Prototyp herzustellen, dessen Temperatur über die Gate-Spannung gesteuert wird praktisch kein Stromverbrauch.

Die Forschung der Professoren Conley und Wang umfasste auch die Doktoranden Wei-Che Hsu, Ben Kupp und Nabila Nujhat der Oregon State University und wurde von Intel, der NASA und der National Science Foundation unterstützt.

Da Glasfasern und photonische Schaltkreise für den Aufbau schneller und zuverlässiger physischer Verbindungen in Rechenzentren von entscheidender Bedeutung sind, könnte die von den Ingenieuren der Oregon State und der Baylor University durchgeführte Forschung erhebliche Auswirkungen auf eine Branche haben, die derzeit und in absehbarer Zukunft bestehen wird , extrem gefragt.

Rechenzentren beherbergen die wichtige Computer- und Netzwerkinfrastruktur vieler Unternehmen, darunter Google, Meta und Microsoft, und müssen jederzeit in Betrieb sein. Nach Angaben des Energieministeriums decken sie etwa zwei Prozent des gesamten Stromverbrauchs in den Vereinigten Staaten.

Die von den Professoren Wang und Conley veröffentlichte PIC-Forschung ist zwar noch experimentell, kann aber eine wichtige Rolle bei der Minimierung dieses Energiebedarfs spielen und es Ingenieuren ermöglichen, schnellere und leistungsfähigere Werkzeuge zu entwickeln, ohne sich um Stromrechnungen und Umweltauswirkungen kümmern zu müssen.