Processori fotonici, silicio e germanio insieme per emettere luce

Processori fotonici, silicio e germanio insieme per emettere luce

Un gruppo di ricercatori di Eindhoven ha unito silicio e germanio per ottenere una lega che può emettere luce. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature. I chip fotonici potrebbero rivoluzionare l'intero settore tecnologico.

di pubblicata il , alle 12:01 nel canale Processori
 

I chip elettronici presentano da sempre dei limiti che si riflettono negativamente sulle prestazioni. Tra questi problemi c'è il calore, che si sviluppa dalla resistenza che gli elettroni incontrano viaggiando lungo i collegamenti in rame che collegano i transistor all'interno di un chip.

Pertanto, per avere chip sempre più veloci, capaci di processare e trasferire più dati, in futuro sarà necessario adottare una nuova tecnica che non produca calore o quasi. Quella tecnica prende il nome di fotonica, ovvero l'uso di fotoni - particelle di luce - per il trasferimento dei dati. Non è esattamente una novità, le ricerche sono in corso da molti anni, ma un gruppo di ricercatori della Eindhoven University of Technology ritiene di aver fatto uno studio rivoluzionario, capace di dare un nuovo impulso allo sviluppo tecnologico.

I fotoni, a differenza degli elettroni, non incontrano resistenza, non hanno massa o carica e si disperdono meno all'interno del mezzo trasmissivo, quindi producono meno calore. Il tutto con il beneficio collaterale di ridurre i consumi e la possibilità di migliorare la velocità di comunicazione - sia all'interno del chip che tra diversi chip - di un fattore 1000. Alla Eindhoven University of Technology hanno dimostrato che è possibile creare una lega con il silicio che può emettere luce. Lo studio è stato pubblicato su Nature.

Uno sguardo all'interno della macchina usata per far crescere i nanofili con gusci esagonali di silicio-germanio. Foto: Nando Harmsen, TU/e

In cosa consiste? Per usare la luce all'interno dei chip è necessario anzitutto una sorgente, ossia un laser. Il silicio si è però dimostrato piuttosto inefficiente nell'emettere luce. Così i ricercatori di tutto il mondo hanno rivolto la loro attenzione a semiconduttori più complessi come l'arseniuro di gallio e il fosfuro di indio. Si tratta di materiali con buone capacità di emissione luminosa, ma costano più del silicio e sono difficili da integrare nei microchip in silicio.

Per ottenere un laser compatibile con il silicio, è necessario produrre una forma di silicio capace di emettere luce. Ed è esattamente quello che hanno fatto alla Eindhoven University of Technology (TU/e): hanno combinato il silicio e il germanio (per il 65%) in una struttura esagonale che può emettere luce. Un traguardo che è stato definito una "svolta dopo 50 anni di lavoro".

Erik Bakkers, a capo della ricerca, ha spiegato che il punto fondamentale è "la natura del cosiddetto band gap di un semiconduttore. Se un elettrone 'cade' dalla banda di conduzione alla banda di valenza, un semiconduttore emette un fotone, ossia luce. Se la banda di conduzione e quella di valenza vengono spostate l'una rispetto all'altra, creando un band gap indiretto, non è possibile emettere fotoni, come nel caso del silicio". Una teoria vecchia di 50 anni fa affermava però che legando il silicio al germanio in una struttura esagonale si sarebbe ottenuto un band gap diretto, consentendo l'emissione di luce.

Modellare il silicio in una struttura esagonale è tutt'altro che facile ed è per questo motivo che sono passati così tanti anni. Nel 2015 Bakkers e il suo team svelarono una tecnica per la crescita di nanofili in grado di permettere di creare del silicio esagonale. Si trattava di silicio esagonale puro con nanofili sviluppati su un altro materiale con una struttura cristallina esagonale. In seguito, il team creò un guscio di silicio-germanio basato su tale modello. "Siamo stati in grado di farlo in modo tale che gli atomi di silicio fossero sul modello esagonale, forzando così gli atomi di silicio a crescere nella struttura esagonale", ha affermato il ricercatore Elham Fadaly.

Nanofili con gusci esagonali di silicio-germanio.

Fino a oggi però non si era compreso come permettere l'emissione di luce. Il team è riuscito a incrementare la qualità dei gusci esagonali in silicio-germanio riducendo il numero di impurità e difetti nella struttura cristallina. Eccitando poi il nanofilo con un laser, hanno misurato l'efficienza del nuovo materiale. "I nostri esperimenti hanno dimostrato che il materiale ha la struttura giusta e che è privo di difetti. Emette luce in modo molto efficiente", ha aggiunto il ricercatore Alain Dijkstra. La quantità di luce emessa è inferiore alla tecnologia dei diodi laser, ma è un passo avanti rispetto a quanto era disponibile in precedenza.

La creazione di un laser è ora solo questione di tempo. "Abbiamo ottenuto proprietà ottiche che sono quasi paragonabili al fosfuro di indio e all'arseniuro di gallio e la qualità dei materiali sta migliorando drasticamente. Se le cose procedono senza intoppi, possiamo creare un laser a base di silicio nel 2020. Ciò consentirebbe una stretta integrazione della funzionalità ottica nella piattaforma elettronica dominante, che aprirebbe a prospettive di comunicazione ottica all'interno dei chip e a sensori chimici convenienti basati sulla spettroscopia".

A beneficiare di una tecnologia di questo genere sarebbero anzitutto i datacenter, con un trasferimento dei dati più rapido e un minore consumo di energia dovuto al raffreddamento. I chip fotonici sarebbero però forieri di innovazione a 360 gradi, dai sistemi radar basati su laser delle auto autonome a sensori chimici per la diagnosi medica o per misurare la qualità dell'aria e degli alimenti.

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5 Commenti
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giuliop12 Aprile 2020, 14:52 #1
Originariamente inviato da: Redazione di Hardware Upgrade
Eccitando poi il nanofilo con un laser


Già l'immagine del nanofilo eccitato è disgustosa, ma che poi si ecciti con un laser?!

A parte le stupide battute, grazie dell'articolo: proprio in questi giorni avevo (ri)sentito parlare dei computer ottici, che erano stati ipotizzati ormai decenni fa - e potenzialmente e avrebbero dovuto funzionare su logica ternaria, con due stati di luce diversamente polarizzata e uno in off -, ma che non sono mai andati da nessuna parte, anche perché, almeno inizialmente (ovvero finché non diventa tutto ottico), c'è da mettere in conto la conversione elettronica->ottica->elettronica, che influisce negativamente sulle potenziali prestazioni; problema che mi sembra permanga in questa soluzione.
demon7712 Aprile 2020, 15:34 #2
Direi che è una cosa a dir poco sensazionale.
Mi chiedo quanto tempo possa volerci per arrivare ad una CPU basata su questa tecnologia..
nickname8812 Aprile 2020, 15:57 #3
Originariamente inviato da: giuliop
A parte le stupide battute, grazie dell'articolo: proprio in questi giorni avevo (ri)sentito parlare dei computer ottici, che erano stati ipotizzati ormai decenni fa
E diversi altri decenni ci vorranno affinchè si possa realizzare un chip capace di compere con un attuale x86 high end basato su sta tecnologia.
La solita news su una tecnologia stra-acerba.
LMCH12 Aprile 2020, 20:02 #4
Originariamente inviato da: nickname88
E diversi altri decenni ci vorranno affinchè si possa realizzare un chip capace di compere con un attuale x86 high end basato su sta tecnologia.
La solita news su una tecnologia stra-acerba.


È acerba per realizzare una cpu fotonica, ma già realizzare un array di laser su chip permetterebbe di realizzare dei phased array lidar rivoluzionari, come pure link ottici multibanda ed ultracompatti.
Un altra applicazione mica male sarebbe realizzare dei phased array ottici su chip che combinano emettitori laser e fotorecettori, con la circuiteria di supporto per utilizzarli come lidar, come trasmettitori per comunicazioni ottiche, come spettrofotometri e come attuatori (per applicazioni di ogni genere, da sensori e datalink ad altissima banda per smartphone, ai laser chirurgici di precisione operanti come bisturi e come suturatori in base alla configurazione).
icoborg13 Aprile 2020, 01:07 #5
senza miwa non vale niente.

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