| +11 голос |
|
Исследователи из МФТИ нашли решение проблемы перегрева активных плазмонных компонентов. Эти компоненты будут иметь большое значение для высокоскоростной передачи данных в оптоэлектронных микропроцессорах будущего, которые смогут функционировать в десятки тысяч раз быстрее, чем современные микропроцессоры. В статье, опубликованной в ACS Photonics, исследователи продемонстрировали, как эффективно охлаждать оптоэлектронные чипы, используя стандартные промышленные радиаторы, несмотря на высокую выработку тепла в активных плазмонных компонентах.
Скорость многоядерных микропроцессоров, которые уже используются в высокопроизводительных вычислительных системах, зависит не столько от скорости отдельного ядра, сколько от времени, необходимого для пересылки данных между ядрами. Электрические медные межсоединения, используемые в микропроцессорах сегодня, принципиально ограничены в пропускной способности, и они не могут быть использованы для поддержания непрерывного роста производительности процессора. Другими словами, удвоение количества ядер не будет удваивать вычислительную мощность.
Ведущие компании в полупроводниковой промышленности, такие как IBM, Oracle, Intel и HP, видят единственное решение этой проблемы в переходе от электроники к фотонике, и в настоящее время они вкладывают миллиарды долларов в это. Замена электронов фотонами будет означать, что большие объемы данных, будут передаваться между процессорными ядрами практически мгновенно, что, в свою очередь, приведет почти к линейному росту производительности процессора при увеличении количества ядер. Тем не менее, из-за дифракции фотонные компоненты не так легко масштабировать с уменьшением размеров электронных компонентов. Их размеры не могут быть меньше, чем, примерно, длина волны света (~ 1 мкм или 1000 нм), но транзисторы скоро будут размером до 10 нм. Эта фундаментальная проблема может быть решена за счет перехода от объемных волн к поверхностным волнам, которые известны как поверхностные плазмонные поляритоны (SPPs). Это позволит ограничить свет на наноуровне. Наряду с ведущими научно-исследовательскими центрами промышленных предприятий и лабораториями ведущих университетов, российские ученые из Лаборатории нанооптики и плазмоники Центра наноразмерной оптоэлектроники МФТИ также вносят значительный вклад в эту область.
Основная трудность, с которой сталкиваются ученые, заключается в том, что SPPs поглощаются металлом, который является ключевым материалом в плазмонике. Этот эффект похож на сопротивление в электронике, где энергия электронов теряется и преобразуется в тепло, когда ток проходит через резистор. Потери SPP могут быть компенсированы путем накачки в них дополнительной энергии. Однако эта накачка будет производить дополнительное тепло, которое, в свою очередь, приведет к повышению температуры не только плазмонных компонентов, но и процессора в целом. Чем выше поглощение в металле, тем больше потери, тем сильнее требуется накачка. Это приводит к повышению температуры, что опять-таки приводит к увеличению потерь и делает более трудным создание оптического усиления, которое необходимо, чтобы компенсировать потери. Формируется цикл, в котором температура может возрасти до такой степени, что чип процессора просто сгорает. Это не удивительно, так как мощность нагрева на единицу поверхности активного плазмонного волновода с компенсацией потерь превышает 10 кВт/см2, что вдвое выше, чем интенсивность солнечной радиации на поверхности Солнца!
Дмитрий Федянин и Андрей Вишневый, исследователи Лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ, нашли решение этой проблемы. Они продемонстрировали, что с помощью поверхностей раздела с высокой теплопроводностью, т. е. слоев теплопроводных материалов, размещенных между чипом и системой охлаждения для обеспечения эффективного отвода тепла от чипа (термопаста является распространенным типом теплового интерфейса, хотя и не очень эффективным), высокопроизводительные оптоэлектронные чипы могут быть охлаждены с использованием традиционных систем охлаждения.
На основании результатов численного моделирования Федянин и Вишневый пришли к выводу, что если оптоэлектронный чип с активными плазмонными волноводами размещается в воздухе, его температура будет увеличиваться до нескольких сотен градусов Цельсия, что приведет к выходу устройства из строя. Многослойные термоинтерфейсы нано- и микрометрической толщины в сочетании с простыми системами охлаждения позволяют снизить температуру чипа от нескольких сотен градусов до температуры приблизительно на десять градусов выше температуры окружающей среды. Это открывает перспективы для реализации высокоэффективных оптоэлектронных микропроцессоров в широком диапазоне применений, начиная от суперкомпьютеров до компактных электронных устройств.
Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365
| +11 голос |
|
