Скорость многоядерных и многоядерных микропроцессоров, которые уже используются в высокопроизводительных компьютерных системах, зависит не столько от скорости отдельного ядра, сколько от времени, которое требуется для передачи данных между ядрами. Электрические медные межсоединения, используемые сегодня в микропроцессорах, принципиально ограничены в пропускной способности, и их нельзя использовать для поддержания постоянного роста производительности процессора. Другими словами, удвоение количества ядер не приведет к удвоению вычислительной мощности.
Ведущие компании полупроводниковой промышленности, такие как IBM, Oracle, Intel и HP, видят единственное решение этой проблемы в переходе с электроники на фотонику, и в настоящее время они инвестируют в это миллиарды долларов. Замена электронов фотонами будет означать, что большие объемы данных смогут передаваться между ядрами процессора почти мгновенно, что, в свою очередь, будет означать, что производительность процессора будет почти пропорциональна количеству ядер. Однако из-за дифракции фотонные компоненты не так просто масштабировать, как электронные компоненты. Их размеры не могут быть меньше размера, примерно равного длине волны света (~ 1 микрометр или 1000 нанометров), но транзисторы скоро станут всего лишь 10 нанометрами.
Эта фундаментальная проблема может быть решена путем перехода от объемных волн к поверхностным волнам, которые известны как поверхностные плазмонные поляритоны (ПП). Это позволит ограничить свет на наноуровне. Наряду с ведущими исследовательскими центрами промышленных компаний и лабораториями ведущих университетов, российские ученые из Лаборатории нанооптики и плазмоники Центра наноразмерной оптоэлектроники МФТИ также добиваются хороших результатов в этой области.
Основная трудность, с которой сталкиваются ученые, заключается в том, что SPP поглощаются металлом, который является ключевым материалом в плазмонике. Этот эффект аналогичен сопротивлению в электронике, где энергия электронов теряется и превращается в тепло, когда ток проходит через резистор. Потери SPP могут быть компенсированы закачкой дополнительной энергии в SPP. Однако такая накачка будет производить дополнительное тепло, что, в свою очередь, вызовет повышение температуры не только в плазмонных компонентах, но и в процессоре в целом.
Чем выше поглощение в металле, тем больше потери и тем сильнее потребуется накачка. Это повышает температуру, что снова вызывает увеличение потерь и затрудняет создание оптического усиления, которое требуется для компенсации потерь, а это означает, что требуется более мощная накачка. Формируется цикл, в котором температура может подняться до такой степени, что микросхема процессора просто перегорит. Это неудивительно, поскольку мощность нагрева на единицу поверхности активного плазмонного волновода с компенсацией потерь превышает 10 кВт / см2, что вдвое превышает интенсивность солнечного излучения на поверхности Солнца!
Дмитрий Федянин и Андрей Вишневый, сотрудники Лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ, нашли решение этой проблемы. Они продемонстрировали, что с помощью высокопроизводительных термоинтерфейсов я.е. слои теплопроводных материалов, помещенные между чипом и системой охлаждения, чтобы обеспечить эффективный отвод тепла от чипа (термопаста – популярный тип термоинтерфейса, хотя он не очень эффективен) высокопроизводительные оптоэлектронные чипы можно охлаждать с помощью обычных системы охлаждения.
По результатам численного моделирования Федянин и Вишневый пришли к выводу, что если оптоэлектронный чип с активными плазмонными волноводами поместить в воздух, его температура повысится на несколько сотен градусов Цельсия, что приведет к неисправности устройства. Многослойные термоинтерфейсы нано- и микрометровой толщины в сочетании с простыми системами охлаждения позволяют снизить температуру чипа с нескольких сотен градусов до примерно десяти градусов по отношению к температуре окружающей среды.
Это открывает перспективы для реализации высокопроизводительных оптоэлектронных микропроцессоров в широком спектре приложений, от суперкомпьютеров до компактных электронных устройств.