IBM svela la nuova tecnologia nanofotonica integrata

IBM svela la nuova tecnologia nanofotonica integrata

IBM Labs ha svelato una nuova tecnologia elettronica in grado di integrare sullo stesso strato di silicio sia funzionalità ottiche che elettriche, aprendo la strada per la realizzazione di computer sempre più veloci e performanti

La nuova tecnologia sviluppata da IBM è denominata CMOS Integrated Silicon Nanophotonics (CISN), e offre il principale vantaggio di integrare su uno stesso chip la tradizionale tecnologia utilizzata nei computer (quella elettronica) con quella ottica, utilizzata soprattutto nei sistemi di telecomunicazione per la trasmissione a banda larga (quindi su fibra ottica). Si prospetta così un’importante ed innovativa applicazione: realizzare dei computer (o meglio, dei supercomputer) all’interno dei quali la comunicazione tra le varie unità può avvenire attraverso impulsi luminosi (ottici) anzichè attraverso i consueti segnali elettrici.

Quali sono i vantaggi che ne conseguono? Essenzialmente tre: si possono ottenere dispositivi più veloci, con dimensioni più compatte, e con un utilizzo più efficiente dell’alimentazione rispetto a quelli che si possono realizzare oggi con la tecnologia tradizionale. La nuova tecnologia è il risultato di oltre 10 anni di lavoro svolto dai laboratori di ricerca globale di IBM, e ci si attende di ottenere una densità di integrazione del chip fino a 10 volte superiore rispetto a quella attuale.

La tecnologia CISN aprirà la strada per la realizzazione di sistemi di calcolo di tipo exascale, cioè in sostanza dei supercomputer capaci di eseguire un milione di trilioni di operazioni matematiche in virgola mobile al secondo (exaflop). Un supercomputer di tipo exascale sarebbe in grado di ottenere un livello di prestazioni anche 1000 volte superiore rispetto alle macchine attuali più performanti.

Oltre a combinare componenti ottiche ed elettriche sullo stesso strato di silicio, la nuova tecnologia potrà essere impiegata anche nelle tradizionali linee di fabbricazione CMOS, e non richiede un nuovo o particolare processo di produzione. Ne consegue che i futuri transistor al silicio potranno condividere lo stesso strato di silicio con dispositivi nanofotonici al silicio. Al fine di consentire questa importante innovazione, i ricercatori IBM hanno già sviluppato una suite di componenti nanofotonici al silicio, integrati ed ultra compatti, sia di tipo attivo che passivo.

Questi componenti hanno dimensioni ridotte al minimo, fino ad arrivare al limite della diffrazione ottica, cioè la più piccola dimensione che può essere ragiunta da un sistema ottico dielettrico. Modificando leggermente l’attuale processo produttivo in tecnologia standard CMOS, sarà possibile creare una moltitudine di dispositivi nanofotonici al silicio integrati con dispositivi CMOS ad elevate prestazioni sia di tipo analogico che digitale, come ad esempio: modulatori ottici, fotorilevatori al germanio, e multiplexer a divisione di frequenza ultracompatti.
Nell’immagine seguente è mostrato un layer realizzato con la rivoluzionaria tecnologia messa a punto da IBM.

Quest’altra immagine, invece, ci mostra il team degli scienziati che hanno partecipato al gruppo di ricerca relativo alla tecnologia CISN: da sinistra a destra Yurii Vlasov (direttore del Silicon Nanophotonics Department di IBM Research), William Green e Solomon Assefa.

La capacità di produrre dispositivi con tecnologia CISN sfruttando gli attuali impianti produttivi per la tradizionale tecnologia al silicio CMOS è un enorme vantaggio, sia in termini di costi produttivi, sia perchè rende questa nuova tecnologia utilizzabile in tempi brevissimi (si parla già di produzione nell’anno corrente, il 2011). La densità di integrazione, sia ottica che elettrica, è elevatissima e senza precedenti: un singolo canale transceiver, completo di relativa circuiteria ottica ed elettrica, occupa soltanto 0.5mm2. Sarà inoltre possibile realizzare dei singoli transceiver con un’area di soli 4x4mm2, e capaci di ricevere e trasmettere dati alla velocità di diversi terabit (trilioni di bit al secondo).
I risultati della ricerca svolta da IBM sono stati comunicati dal Prof. Yurii Vlasov in occasione della conferenza SEMICON (la maggiore conferenza internazionale per l’industria dei semiconduttori) che si è tenuta a Tokyo il mese di dicembre dello scorso anno (tiolo originale: “CMOS Integrated Silicon Nanophotonics: Enabling Technology for Exascale Computational Systems”).

Ottica = Terabit al secondo

L’attuale tendenza nei sistemi di calcolo ad elevate prestazioni è quella di incrementare il parallelismo a livello di esecuzione del codice tramite l’utilizzo esteso di multithread, incrementando il numero di processori a livello di scheda, rack o blade, o infine aumentando il numero di core per processore. L’effetto scala che ne consegue sta portando le velocità di elaborazione sempre più in alto, verso la fatidica soglia dell’exaflop. Tuttavia, rimane il problema della banda disponibile necessaria per fare viaggiare questi exaflop all’interno del sistema, banda che di per sè è limitata. L’ottica serve a proprio a colmare questa limitazione di banda, portando con sè un’enorme ampiezza di banda derivante sia dall’utilizzo di elevate velocità di modulazione che dal parallelismo tipico dei sistemi WDM (Wavelength Division Multiplexing). In altre parole, si estende a livello microscopico quanto è avvenuto anni orsono a livello macroscopico nei sistemi di trasmissione in banda larga per lunghe distanze (le “dorsali”), dove i tradizionali collegamenti in rame furono sostituiti da collegamenti in fibra ottica.

Riferimenti

IBM Research – Silicon Integrated Nanophotonics

IBM Press Room

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4 Comments

  1. Fabrizio87 11 febbraio 2011
  2. mingoweb 11 febbraio 2011
  3. linus 11 febbraio 2011
  4. giuskina 11 febbraio 2011

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