Il ripensamento della progettazione dei chip fotonici potrebbe ridurre il consumo energetico dei data center

Oct 01, 2023

I circuiti integrati fotonici, o PIC, sono dispositivi che consentono la generazione, il trasferimento e l'elaborazione di dati utilizzando particelle di luce anziché elettroni. Anche se ancora in fase sperimentale per l'uso nell'informatica alternativa, i PIC sono stati a lungo la spina dorsale delle telecomunicazioni, consentendo la funzionalità delle odierne linee in fibra ottica ad alta velocità.

Grazie ai metodi tradizionali di produzione dei semiconduttori, il silicio è diventato la piattaforma principale per lo sviluppo di questi tipi di chip, consentendo agli ingegneri di utilizzare le strutture di fabbricazione elettronica esistenti per progettarli e produrli in serie.

Sebbene i PIC siano molto più efficienti e offrano una larghezza di banda significativamente più elevata rispetto ai metodi di comunicazione elettronica, c'è ancora spazio per miglioramenti poiché i chip fotonici in silicio richiedono molta energia per la regolazione della temperatura al fine di mantenere elevate le prestazioni di trasferimento dei dati.

In questo articolo discuteremo di una svolta nell'efficienza dei circuiti integrati fotonici che deriva da uno sforzo di ricerca congiunto di ingegneri e scienziati dell'Oregon State University e della Baylor University che intendono ridurre drasticamente il consumo di energia elettrica nei data center.

Per trasportare più frequenze luminose attraverso lo stesso mezzo fotonico e consentire la trasmissione simultanea di segnali diversi utilizzando una singola fibra ottica, gli ingegneri hanno ideato un metodo chiamato multiplexing a divisione di lunghezza d'onda (WDM) in cui la capacità del canale dati della tecnologia può essere aumentata senza ostacolare la sua velocità di trasferimento estremamente elevata.

Nei circuiti integrati fotonici, le strutture utilizzate per realizzare il WDM sono chiamate risonatori a microanelli di silicio, o Si-MRR, che funzionano come guide d'onda ottiche riavvolgendosi su se stesse in modo che si verifichi una risonanza ogni volta che la lunghezza del percorso ottico di un singolare risonatore misura esattamente un numero intero di lunghezze d'onda.

Fabbricando questi tipi di risonatori ad anello utilizzando il silicio, la WDM può essere eseguita su scala estremamente piccola e come parte di sistemi a bassissimo consumo energetico. Tuttavia, una delle sfide principali della tecnologia Si-MRR è la sensibilità alla lunghezza d’onda risonante dovuta alle fluttuazioni di temperatura e alle variazioni del processo di produzione.

Fino ad ora, questi dispositivi hanno gestito il controllo preciso della lunghezza d'onda mediante iniezione di portatori liberi utilizzando diodi PIN e riscaldatori termici che richiedono una quantità significativa di energia elettrica.

Ora, i ricercatori dell’Oregon State e della Baylor hanno presentato un nuovo metodo per ridurre questo fabbisogno energetico di controllo della temperatura di un fattore sconcertante di oltre un milione.

Già a marzo, un team guidato dal professore Alan Wang della Baylor University, ha pubblicato i risultati della sperimentazione di Si-MRR guidati da gate per lo sviluppo di circuiti integrati fotonici altamente efficienti.

Affrontando le sfide legate alla temperatura della tecnologia, il team del professor Wang ha sviluppato un tipo specializzato di filtro WDM su chip sintonizzabile in modo indipendente che utilizza una serie di quattro Si-MMR con ossido di indio-stagno (ITiO), ossido di afnio (IV) (HfO2) e silicio condensatori fabbricati a semiconduttore di ossido di metallo (MOS).

Il composto MOS utilizzato in questa ricerca è noto come ossido conduttivo trasparente (TCO) ad alta mobilità che, a differenza delle giunzioni PN, mostra efficienze elettro-ottiche molto maggiori. Questo è ciò che effettivamente produce le caratteristiche di risparmio energetico di questa innovazione poiché utilizzando materiali TCO, è possibile ottenere un ampio intervallo di sintonizzazione della lunghezza d'onda attraverso una bassa tensione di gate e un consumo energetico trascurabile.

Secondo il professor John Conley dell'Oregon State's College of Engineering, grazie alla sua conoscenza nella deposizione di strati atomici e nei dispositivi elettronici, e all'esperienza del professor Wang sulla fotonica, il loro team è stato in grado di produrre un prototipo funzionante PIC la cui temperatura è controllata attraverso la tensione di gate che menta praticamente nessun utilizzo di corrente elettrica.