I processori optoelettronici del futuro

La velocità dei microprocessori multicore, già utilizzati dai computer ad alte prestazioni, non dipende tanto dalla velocità di un singolo core, bensì dal tempo necessario per il trasferimento dei dati tra i vari core. Le interconnessioni in rame utilizzate nei microprocessori di oggi, sono fondamentalmente limitate in larghezza di banda e non possono mantenere il progresso della performance del processore. In altre parole, raddoppiando il numero di core non raddoppia la potenza di elaborazione. Le aziende leader nel settore dei semiconduttori, come IBM, Intel e HP, stanno attualmente investendo miliardi di dollari per il passaggio verso la fotonica. Ma che cos'è la fotonica? Come l'elettronica studia il moto degli elettroni, la fotonica studia come poter controllare la propagazione dei fotoni, nasce con l'invenzione del laser in netta correlazione con la microelettronica. La sostituzione di elettroni con i fotoni implica che grandi quantità di dati possono essere trasferiti tra i core del processore quasi istantaneamente, il che significa che le prestazioni del processore saranno quasi proporzionali al numero di core. La difficoltà principale è relativa al riscaldamento circuitale; gli scienziati hanno il compito, quindi, di minimizzare l’eccesso di calore con una conseguente ottimizzazione delle prestazioni. I Ricercatori del MIPT hanno trovato una soluzione al problema del surriscaldamento dei componenti plasmonici attivi per il trasferimento di dati ad alta velocità nei microprocessori optoelettronici del futuro, dove la velocità di trasferimento dati sarà decine di migliaia di volte più veloce dei microprocessori attuali. Nel documento, pubblicato dalla ACS Photonics, i ricercatori hanno dimostrato come sia efficiente utilizzare dissipatori standard in chip optoelettronici per minimizzare il calore prodotto. In questo articolo faremo una panoramica sui processori fotonici del futuro per poi analizzare questa nuova tecnica di cooling.

Introduzione

I problemi di diffrazione rendono i componenti fotonici molto difficili da ridimensionare come componenti elettronici. Inoltre, le loro dimensioni non possono essere inferiori alla lunghezza d'onda della luce, con il fatto poi che ben presto i transistor saranno piccoli dell’ordine dei 10 nanometri. Questo problema fondamentale può essere risolto con il passaggio da onde di volume a onde di superficie, ovvero di surface plasmon polaritons (SPP). Questi SPP sono assorbiti dal metallo che è un materiale fondamentalmente plasmonico. L’effetto che ne concerne è simile alla resistenza elettrica con dissipazione di calore al passaggio della corrente. Questa perdita può essere compensata pompando energia supplementare nelle SPP che produrrà un eccesso di calore con un conseguente aumento complessivo della temperatura nei componenti plasmonici e nel processore. Quindi, maggiore sarà l’assorbimento nel metallo, maggiore sarà la perdita e il pompaggio, con conseguente aumento della temperatura del processore che può portare alla rottura del chip. Il problema dell’autoriscaldamento nei plasmonici attivi è stato un ostacolo allo sviluppo di microprocessori optoelettronici per il trasferimento di dati ad alta velocità. I ricercatori del Laboratorio di MIPT Nanooptics e Plasmonics, hanno trovato una soluzione a questo problema con sistemi ad interfacce termiche multistrato di spessore dell'ordine dei nano e micrometri, combinati con semplici tecniche di raffreddamento. La soluzione proposta aiuta a ridurre la temperatura del chip evitando surriscaldamenti. Questo apre la possibilità di realizzare microprocessori optoelettronici di alte prestazioni in una vasta gamma di applicazioni, compresi i supercomputer e dispositivi elettronici compatti. La ricerca dei materiali plasmonici è molto importante sia per le comunicazioni ottiche del futuro ma anche per lo sviluppo di nuovi pannelli solari (anche se in questo caso farebbe lievitare il costo). Le ultime soluzioni consistono di un ossido di zinco drogato con l'alluminio, le caratteristiche di quest'ultimo materiale ottenuto permettono di controllare una notevole quantità di luce riflessa con una minima energia di consumo, particolarmente adatto per esempio nelle comunicazioni a fibra ottica. In generale queste soluzioni permetterebbero di creare dispositivi molto più veloci rispetto a quelli in commercio.

Surface plasmon polaritons (SPP)

I Polaritoni plasmonici di superficie (SPP) o plasmoni superficiali sono eccitazioni elettromagnetiche esistenti all'interfaccia tra un metallo e un materiale dielettrico (Figura 1).  [...]

ATTENZIONE: quello che hai appena letto è solo un estratto, l'Articolo Tecnico completo è composto da ben 2084 parole ed è riservato agli abbonati PLATINUM. Con l'Abbonamento avrai anche accesso a tutti gli altri Articoli Tecnici PREMIUM e PLATINUM e potrai fare il download (PDF) di tutti gli EOS-Book, Firmware e degli speciali MONOTEMATICI. ABBONATI ORA con PAYPAL è semplice e sicuro.

Abbonati alle riviste di elettronica

2 Commenti

  1. Ernesto Sorrentino 12 aprile 2016
    • Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 12 aprile 2016

Scrivi un commento

ESPertino è la nuova scheda per IoT compatibile ARDUINO.
Scopri come averla GRATIS!