Z

pr´dkoÊcià

Êwiat∏a

GRUDZIE¡ 2004 ÂWIAT NAUKI

59

MIKROPROCESOR PRZYSZ¸OÂCI
b´dzie komunikowaç si´ z pozosta-
∏à cz´Êcià komputera, wykorzystujàc
nie tylko pràd elektryczny, ale i Êwia-
t∏o. Dzi´ki opracowanym niedawno
przyrzàdom – laserom z mikrown´-
kami, modulatorom optycznym z
krzemu i mikrokolumnom z przezro-
czystego polimeru – mo˝na p∏ynnie
t∏umaczyç bity z reprezentacji elek-
tronicznej na fotonicznà i na odwrót.

M

niej wi´cej od 1995 roku mikroproce-
sory coraz wyraêniej górujà szybkoÊcià
nad pozosta∏ymi sk∏adnikami systemów
komputerowych. Najnowsze wykonujà

instrukcje w takt zegara 3.6 GHz, a niektóre ope-
racje – na przyk∏ad dzia∏ania arytmetyczne – nawet
dwa razy szybciej. Ale po∏àczenia, które na p∏ycie
g∏ównej zapewniajà komunikacj´ procesora z pa-
mi´cià i innymi podzespo∏ami, pracujà z cz´stotli-
woÊcià ni˝szà od 1 GHz. W rezultacie mózg maszy-
ny traci trzy czwarte czasu, oczekujàc na instrukcje
i dane, które gdzieÊ po drodze utkn´∏y.

„W nadchodzàcych latach dysproporcja mi´dzy

wydajnoÊcià mikroprocesora i dost´pem do pami´-
ci stanie si´ krytyczna” – napisa∏ Anthony F. J. Le-
vi, fizyk z University of Southern California w opu-
blikowanym przed trzema laty raporcie. Jak
podkreÊli∏, tworzywa u˝ywane do produkcji p∏ytek
drukowanych powodujà silne t∏umienie sygna∏ów
o wysokich cz´stotliwoÊciach: zwi´kszenie pasma
o ka˝de 2 GHz oznacza dziesi´ciokrotny spadek
nat´˝enia sygna∏u. Dlatego wy˝sza cz´stotliwoÊç
zegara oznacza wzrost zu˝ycia energii, iloÊci wy-
dzielanego ciep∏a i silniejsze zak∏ócenia elektroma-
gnetyczne. Ju˝ dziÊ sà to dla projektantów trzy pod-
stawowe problemy. SpecjaliÊci z konsorcjum
przemys∏owego International Sematech twierdzà,
˝e problem przestanie narastaç, je˝eli przepusto-

Nowe pomys∏y

na optyczne

wyprowadzenia
elektronicznych

mikrochipów

mogà ju˝ wkrótce

radykalnie zmieniç

architektur´

komputerów

W. Wayt Gibbs

woÊç magistrali ∏àczàcej procesor z oto-
czeniem b´dzie zwi´kszaç si´ co dwa
lata o 2 GHz.

„Nasi in˝ynierowie sà przekonani, ˝e

wycisnà 20 GHz ze Êcie˝ek d∏ugoÊci do
50 cm” – mówi Michael Morse, fotonik
z Intela. Zgodnie z prognozami Semate-
chu 20 GHz zaspokoi potrzeby mikro-
uk∏adów w technologii 32 nm, odleg∏ej
o trzy generacje od technologii 90 nm,
która pojawi∏a si´ na poczàtku tego ro-
ku. Wed∏ug Marka T. Bohra, dyrektora
odpowiedzialnego w Intelu za architek-
tur´ procesów, jego firma powinna t´
generacj´ mikrouk∏adów wprowadziç
na rynek w roku 2010.

A wtedy konieczne oka˝e si´ zastàpie-

nie miedzianych po∏àczeƒ elektrycznych
Êwiat∏owodami, w których noÊnikiem
danych b´dà fotony emitowane przez
lasery. „Jestem wielkim entuzjastà ∏àczy
optycznych ju˝ na poziomie urzàdzeƒ”
– stwierdza Patrick P. Gelsinger, g∏ów-
ny technolog Intela, przyznajàc jedno-
czeÊnie, ˝e wàtpi, czy zastàpià one krót-
kà, ale bardzo wydajnà magistral´
∏àczàcà procesor z pami´cià. To, czy ta-
ka zmiana warty nastàpi, jakich po∏à-
czeƒ b´dzie dotyczyç i ile b´dzie koszto-
waç, zale˝y od sposobu wytwarzania
elementów fotonicznych.

Ju˝ dziÊ dane sà cz´sto zamieniane z

postaci elektrycznej na optycznà lub od-
wrotnie jak w przypadku ró˝nych urzà-
dzeƒ peryferyjnych komputera, na przy-
k∏ad nap´dów CD i DVD, monitorów,
myszy, kamer, wzmacniaczy stereofo-
nicznych oraz sieci Êwiat∏owodowych.
Jednak serce komputera obejmujàce
procesor, pami´ç i p∏yt´ g∏ównà jest ca∏-
kowicie elektroniczne.

Przyczyny sà zgo∏a naturalne: chocia˝

Êwiat∏owody umo˝liwiajà wielokrotnie

szybszà wymian´ danych ni˝ drut mie-
dziany, to sà te˝ od 10 do 100 razy dro˝-
sze. W niektórych zastosowaniach, jak
na przyk∏ad ∏àczenie tysi´cy rozmów
telefonicznych lub kierowanie miliar-
dami pakietów biegnàcych w Internecie,
wydajnoÊç jest wa˝niejsza ni˝ koszty.
W∏aÊnie dlatego koncern Cisco wyda∏
pó∏ miliarda dolarów na zbudowanie w
ciàgu czterech lat optycznego routera,
który zaprezentowano w maju. Trzydzie-
Êci linii Êwiat∏owodowych o wydajnoÊci
40 Gb/s mo˝e zaspokoiç potrzeby 1.6 mln
gospodarstw domowych pod∏àczonych
do Internetu za poÊrednictwem linii DSL.
W przypadku odleg∏oÊci ponad 100 m ∏à-
cza optyczne sà bezkonkurencyjne. Ale
krótsze po∏àczenia, na przyk∏ad w sie-
ciach biurowych lub we wn´trzu kom-
puterów, pozostajà bezsprzecznie dome-
nà miedzi.

DziÊ rewolucja wydaje si´ ca∏kiem

prawdopodobna, poniewa˝ naukowcy
zdo∏ali opracowaç wiele elementów fo-
tonicznych, które mo˝na produkowaç
w istniejàcych fabrykach, spe∏niajàc
dzi´ki temu warunek konkurencyjnoÊci.
„Zamierzamy wprowadziç optyk´ ju˝
na poziomie komunikacji mi´dzy chi-
pami” – wyjaÊnia Mario Paniccia, szef
grupy zajmujàcej si´ w Intelu fotonikà
opartà na krzemie.

Je˝eli tak si´ stanie, to ju˝ za 10 lat

komputery b´dà wyglàdaç i dzia∏aç
zupe∏nie inaczej ni˝ teraz. Niektóre
zmiany da si´ zaliczyç do kategorii
„mniejsze i szybsze”. Niewykluczone, ˝e
kamery i przenoÊne odtwarzacze wideo
b´dziemy pod∏àczaç, wtykajàc koƒców-
k´ Êwiat∏owodu do gniazda komputera,
które zastàpi port USB. Niewykluczo-
ne, ˝e niektóre maszyny zostanà ju˝ wy-
posa˝one w dyski holograficzne, miesz-

czàce setki gigabajtów danych na prze-
noÊnym krà˝ku wielkoÊci p∏yty CD.
Szcz´Êciarzom z bezpoÊrednim dost´-
pem do Êwiat∏owodowej sieci telekomu-
nikacyjnej optyczna karta sieciowa za-
pewni transmisj´ danych z szybkoÊcià
ponad 1 Gb/s, a wi´c tysiàckrotnie wi´k-
szà ni˝ w przypadku linii DSL i mode-
mów kablowych.

Inne zmiany mogà byç jeszcze dra-

styczniejsze. Graniczna pr´dkoÊç trans-
misji ∏àcza przewodowego szybko male-
je wraz z jego d∏ugoÊcià. Dlatego pami´ç
i karta graficzna muszà znajdowaç si´
jak najbli˝ej procesora, który z nich ko-
rzysta. „Ale je˝eli dane zakodujemy w
postaci Êwiat∏a, odleg∏oÊç przestaje mieç
znaczenie – zauwa˝a Paniccia. – Tania
technologia fotoniczna b´dzie tak samo
tania w skali centymetrów i tysi´cy kilo-
metrów”. Wiele komponentów kompu-
tera, które dziÊ sà upchane w obudowie
wysokoÊci kilkudziesi´ciu centymetrów,
mo˝na b´dzie rozmieÊciç w ró˝nych
miejscach samochodu, budynku, a na-
wet w odleg∏ych dzielnicach miasta,
przesy∏ajàc dane w postaci ciàgu impul-
sów Êwiat∏a.

Zlikwidowaç wàskie gard∏o

WSPÓ

¸CZESNE

elementy optyczne, na

przyk∏ad lasery w nap´dach CD i fo-
todetektory w telekomunikacyjnych
komutatorach, wytwarza si´ z tzw. pó∏-
przewodników III-V. Sà to zwiàzki
chemiczne, w których kation pochodzi
z III grupy uk∏adu okresowego na przy-
k∏ad Al, Ga, In, a anion z grupy V,
zwykle P, As lub Sb.

Na pierwszy rzut oka pó∏przewodniki

III-V sà wprost wymarzone dla fotoniki.
Elektrony poruszajà si´ w nich szybciej
ni˝ w krzemie, pozwalajàc na zwi´ksze-
nie cz´stotliwoÊci procesorów. Równie
∏atwo mogà emitowaç Êwiat∏o z wn´k w
swoich powierzchniach, jak i zamieniaç
impulsy Êwiat∏a na sygna∏y elektryczne.
W∏aÊnie dlatego badacze zajmujàcy si´
fotonikà, snujàc wizje optycznych uk∏a-
dów scalonych, pomyÊleli przede wszyst-
kim o zwiàzkach III-V.

I tak grupa kierowana przez Daniela

Blumenthala i Larry’ego Coldrena z Uni-
versity of California w Santa Barbara wy-
korzysta∏a fosforek indu, konstruujàc w
ubieg∏ym roku „kopiark´ fotonowà”.
Urzàdzenie to odbiera impulsy na pewnej
d∏ugoÊci fali, powiela fotony, je˝eli docie-
rajàcy sygna∏ jest silnie os∏abiony, a na-
st´pnie za pomocà przestrajanego lasera

60

ÂWIAT NAUKI GRUDZIE¡ 2004

n

Konstruktorzy komputerów przewidujà, ˝e w nadchodzàcym dziesi´cioleciu

przewody miedziane, które dziÊ ∏àczà ró˝ne elementy komputera, osiàgnà kres
wydajnoÊci zwiàzany z szerokoÊcià przenoszonego pasma cz´stotliwoÊci.

n

Jeszcze niedawno wprowadzenie Êwiat∏a do mikrolektroniki wiàzano z laserami

i fotodetektorami z pó∏przewodników innych ni˝ krzem. Takie rozwiàzanie
sprawdza si´ tylko w niszowych zastosowaniach, na przyk∏ad w szybkich ∏àczach
telekomunikacyjnych. Na poczàtku bie˝àcego roku in˝ynierowie ujawnili,
˝e w laboratoriach powsta∏a nowa klasa przyrzàdów fotonicznych, które mo˝na
produkowaç w tych samych fabrykach, co tanie chipy elektroniczne.

n

Badacze majà ju˝ osiàgni´cia w przesy∏aniu sygna∏ów Êwietlnych

mi´dzy mikroprocesorem a p∏ytà g∏ównà komputera.

n

Poniewa˝ ∏àcza optyczne mogà przenosiç bardzo szerokie pasmo zarówno

na ma∏à, jak i du˝à odleg∏oÊç, zastosowanie fotoniki mo˝e w dalszej perspektywie
spowodowaç istotne zmiany w architekturze komputerów.

Przeglàd /

Komputery optyczne

BRY

AN CHRISTIE

(popr

zednie str

ony

)

GRUDZIE¡ 2004 ÂWIAT NAUKI

61

BRY

AN CHRISTIE

STAN OBECNY: Nap´dy dysków,
karty sieciowe i inne elementy
komunikujà si´ wieloprzewodowymi
taÊmami z szybkoÊcià do 40 Gb/s
(2.5 Gb/s na pojedynczy przewód).

PROTOTYPY: W lipcu pokazano
uk∏ad z plastikowymi Êwiat∏owodami
ukrytymi w p∏ytce drukowanej,
który zapewnia∏ wymian´ danych
z szybkoÊcià 8 Gb/s na w∏ókno.

WE WSPÓ¸CZESNYCH KOMPUTERACH optyk´ mo˝na znaleêç w niektórych urzàdzeniach peryferyjnych. W nadchodzàcym
dziesi´cioleciu natomiast przyrzàdy fotoniczne, które dziÊ powstajà w laboratoriach lub sà w stadium prototypu, zajmà miej-
sce w samym sercu komputera.

STAN OBECNY: Procesory komputerów pracujà z cz´stotliwoÊcià
bliskà 3 GHz lub nieco wy˝szà, ale cz´sto tracà znacznà cz´Êç czasu,
oczekujàc na dane zgromadzone w pami´ci RAM taktowanej z cz´stotliwoÊcià
tylko 0.4 GHz. Nowsze procesory mogà pobieraç dane z pami´ci
za pomocà wielu po∏àczeƒ z szybkoÊcià si´gajàcà 51 Gb/s.

PROTOTYPY: Magistrale optyczne ∏àczàce procesor z pami´cià o wydajnoÊci
1.25 GHz wykorzystujàce w∏ókna Êwiat∏owodowe.

W LABORATORIACH: Wyprowadzenia w postaci tysi´cy
polimerowych nó˝ek umo˝liwiajàce optycznà i elektrycznà
komunikacj´ procesora z p∏ytà g∏ównà.

STAN OBECNY: Sieci Êwiat∏owodowe umo˝liwiajà
wprawdzie komunikacj´ z szybkoÊcià 10 Gb/s,
ale powszechnie korzysta si´ z taƒszego Ethernetu
o przepustowoÊci 0.1 Gb/s.

PROTOTYPY: Krzemowe modulatory optyczne
opracowane w Intelu umo˝liwiajà budow´
konkurencyjnych cenowo sieci o przepustowoÊci
od 2.5 do 10 Gb/s.

OBECNIE: Nap´d DVD mo˝e
zmieÊciç do 8.5 GB danych
na p∏ycie dwustronnej
i odczytywaç je z szybkoÊcià
do 0.13 Gb/s.

W PRODUKCJI: Nap´dy Blu-ray
i HD-DVD zapisujà na p∏ycie
do 50 GB i odczytujà dane
z szybkoÊcià 0.04 Gb/s.
Przewiduje si´, ˝e pr´dkoÊç
odczytu wzroÊnie do 0.32 Gb/s.

STAN OBECNY: ¸àcza USB 2.0 zapewniajà transmisj´ mi´dzy komputerem, myszà,
kamerà wideo i innymi urzàdzeniami z szybkoÊcià 0.48 Gb/s na d∏ugoÊci do 5 m.

W PRODUKCJI: Drogie ∏àcza optyczne firmy Xanoptix umo˝liwiajàce przesy∏anie
danych z szybkoÊcià do 245 Gb/s na odleg∏oÊç do 500 m.

W 2006 ROKU: Wed∏ug firmy
InPhase Technologies pierwsze
nap´dy holograficzne pozwolà
archiwizowaç do 200 GB na
dysku wielkoÊci standardowej
p∏yty CD. SzybkoÊç odczytu

wyniesie 0.16 Gb/s.

Nap´d Blu-ray
lub HD-DVD

Dysk twardy

Pami´ç RAM

Mikroprocesor

Kamera wideo

Bezprzewodowa
klawiatura
i mysz optyczna

P∏yta

g∏ówna

Dysk
holograficzny

Kabel sieci
Êwiat∏owodowej

Karta

sieci

optycznej

FOTONICZNY PECET: CO JU˚ JEST, A CZEGO BRAKUJE

„przesuwa” je na innà d∏ugoÊç fali, na
˝adnym etapie nie zmieniajàc postaci in-
formacji na elektronicznà. Takie opera-
cje by∏yby niezwykle u˝yteczne w przy-
sz∏ym komputerze fotonicznym.

Jednak w porównaniu z krzemem pó∏-

przewodniki III-V sà k∏opotliwe i trudne
w produkcji i dlatego tak˝e dro˝sze. Wy-
starczy powiedzieç, ˝e odpowiednik krze-
mowego mikrochipu CMOS w cenie na
przyk∏ad 5 dolarów, wykonany z fosforku
indu kosztowa∏by a˝ 500. A wobec stale
doskonalonej technologii krzemu „rywa-
lizacja z g∏ównym nurtem, czyli techno-
logià CMOS, by∏aby równie nierozsàdna
jak po∏o˝enie si´ na torach – t∏umaczy
Ravindra A. Athale, mened˝er zajmujà-
cy si´ fotonikà w Defense Advanced Re-
search Projects Agency (DARPA – Agen-
cja ds. Zaawansowanych Obronnych
Projektów Badawczych) – WczeÊniej czy
póêniej pociàg ci´ przejedzie”.

Je˝eli fotonika ma opanowaç p∏yty

g∏ówne komputerów w cenie oko∏o 100
dolarów, powinna zajàç miejsce w tym
pociàgu. Dlatego w ostatnich latach
znaczna cz´Êç badaƒ nad komputerami
optycznymi ukierunkowana by∏a na zna-
lezienie metod integracji elementów
elektronicznych i fotonicznych w ramach
technologii CMOS. Taka strategia zaczy-
na ju˝ przynosiç pewne korzyÊci.

„JesteÊmy dziÊ na etapie, który przed

dwoma laty by∏ wprost nie do pomyÊle-
nia – stwierdza Salvatore Coffa, kierow-
nik laboratorium fotoniki krzemowej w
STMicroelectronics w Katanii na Sycy-
lii. – Ju˝ wkrótce wypuÊcimy na rynek
pierwszy uk∏ad krzemowy, który reali-
zuje te˝ funkcje optyczne”.

W ekspresie zwanym CMOS

S

Ñ PRZYNAJMNIEJ TRZY SPOSOBY

, aby ele-

menty fotoniczne zaj´∏y miejsce w p´-
dzàcym pociàgu CMOS i w opracowy-
waniu ka˝dego z nich dokona∏ si´ godny
podziwu post´p. Najbardziej tradycyjne
rozwiàzanie to integracja hybrydowa,
która dziÊ jest najbli˝sza komercyjnego
sukcesu, poniewa˝ umo˝liwi∏a ju˝ wy-
produkowanie chipów wykorzystywa-
nych w telekomunikacji.

Idea przyrzàdu hybrydowego polega

na umieszczeniu w jednej obudowie mi-
krouk∏adu krzemowego, który realizuje
funkcje logiczne, oraz kostki z pó∏prze-
wodnika III-V odpowiedzialnej za opty-
k´. Fabryk´ wytwarzajàcà uk∏ady CMOS
nale˝a∏oby istotnie zmodernizowaç, za-
nim mened˝erowie wpuszczà arsenek

62

ÂWIAT NAUKI GRUDZIE¡ 2004

OD MIEDZI DO ÂWIAT¸OWODÓW

PIERWSZE FOTONICZNE MIKROCHIPY znajdà prawdopodobnie zastosowa-
nie w komputerach specjalnego przeznaczenia, które muszà szybko prze-
twarzaç du˝e iloÊci danych, na przyk∏ad takich, jakie stosuje si´ w obrazo-
waniu medycznym. Byç mo˝e nadejdzie dzieƒ, kiedy skaner MRI b´dzie
Êwiat∏owodem przesy∏a∏ dane do komputera, wykorzystujàc mikrolasery i
krzemowe modulatory optyczne (poni˝ej z lewej). Trwajà prace nad ∏àcza-
mi nowego rodzaju umo˝liwiajàcymi przekazywanie tak du-
˝ych iloÊci danych bezpoÊrednio do centralnego procesora (skraj-
nie z prawej). Ustanowienie szybkiej komunikacji u∏atwi∏oby
lekarzom konsultacje ze specjalistami w odleg∏ych oÊrodkach.

SYGNA¸ OPTYCZNY

Mikrolasery, które opracowa∏ Kerry J. Vahala
z California Institute of Technology,
mogà byç tysiàcami integrowane
ze standardowymi chipami krzemowymi.
Miniaturowe pierÊcionki filtrujà Êwiat∏o
emitowane przez tanie diody laserowe.
Mogà one tak˝e zmieniaç kolor, dopasowujàc
d∏ugoÊç fali do wspó∏pracujàcych
z nimi innych elementów fotonicznych.

Âwiat∏o przenika do pierÊcionka
z przechodzàcego tu˝ obok
ultracienkiego Êwiat∏owodu (˝ó∏ty).
Fale o pewnych cz´stotliwoÊciach
sprz´gajà si´ rezonansowo
z pierÊcieniem (strza∏ki), wzbudzajàc
emisj´ wiàzki laserowej, która dalej
biegnie innym Êwiat∏owodem (czerwony).
W seryjnych chipach pierÊcienie
zostanà zastàpione kraw´dziami
mikrootworów, a Êwiat∏owody b´dà
zanurzone w powierzchni chipów.

Âwiat∏owód z diody
pompujàcej laser

Âwiat∏owód
idàcy
do modulatora

GRUDZIE¡ 2004 ÂWIAT NAUKI

63

BRY

AN CHRISTIE; MUHANNAD S. BAKIR I JAMES D. MEINDL (

kolumienki z polimer

u

)

Modulator optyczny – na przyk∏ad taki jaki zbudowa∏
w zesz∏ym roku Mario Paniccia wraz ze wspó∏pracownikami
z Intela – t∏umaczy bity docierajàce w postaci elektrycznej
na impulsy Êwiat∏a. Najpierw wiàzka z lasera jest
dzielona na dwie ga∏´zie (na górze). Sygna∏y
elektryczne docierajà do kondensatora w jednej z nich
lub obu i zmieniajà faz´ fali. Nast´pnie obydwie wiàzki
spotykajà si´ i interferujà, czego wynikiem sà impulsy Êwiat∏a
unoszone przez wiàzk´ opuszczajàcà modulator (na dole).

MODULACJA SYGNA¸U OPTYCZNEGO

FOTONICZNE MIKROPROCESORY

Po∏àczenie
elektryczne

Fala Êwietlna
z przesuni´tà fazà

Kondensator

Do komunikacji procesora
z p∏ytà zawierajàcà
pozosta∏e obwody b´dzie
mo˝na wykorzystaç
miniaturowe kolumienki
z przezroczystego plastiku.
Tysiàce kolumienek, których
technologi´ wytwarzania
opracowa∏ zespó∏ Jamesa
D. Meindla z Georgia Institute
of Technology, znajdà si´ na
spodzie mikroprocesora.

Uk∏ad kolumienek b´dzie
dopasowany do uk∏adu
gniazd na p∏ycie.

Sygna∏y, zarówno elektryczne, jak i Êwietlne, b´dà przekazywane
kolumienkami, umo˝liwiajàc mikroprocesorowi wymian´ danych
z otoczeniem. Standardowe po∏àczenia elektryczne zostanà
uzyskane dzi´ki metalizacji kolumienek. Natomiast impulsy
Êwiat∏a b´dà przedostawaç si´ przez polimerowe Êwiat∏owody
i kierowane przez plastikowe siatki dyfrakcyjne lub metalowe
zwierciad∏a b´dà docieraç do krzemowych fotodiod.

Mikroprocesor

Fotodetektor

Siatka

dyfrakcyjna

Zwierciad∏o

Powietrze

Kolumienka
z metalizacjà

Przewód
miedziany

Âwiat∏owód
polimerowy

P∏ytka

z obwodem

Kolumienka

z przezroczystego

polimeru

Gniazdo

galu lub fosforek indu w pobli˝e swoich
urzàdzeƒ o wielomiliardowej wartoÊci,
poniewa˝ zwiàzki te mog∏yby zanieczy-
Êciç linie produkcyjne krzemu*. Ale
przecie˝ obydwa sk∏adniki przyrzàdu
hybrydowego mo˝na wytwarzaç w ró˝-
nych miejscach i dopiero na koƒcu ∏à-
czyç je w ca∏oÊç.

Xanoptix, niewielka firma wdro˝enio-

wa z Merrimack w New Hampshire, wy-
korzysta∏a technologi´ hybrydowà, in-
tegrujàc laser z arsenku galu i krzemowy
uk∏ad sterujàcy. W efekcie powsta∏o z∏à-
cze optyczne wielkoÊci kciuka, podob-
ne z wyglàdu do wtyczki USB. Ale pod-
czas gdy w przypadku USB maksymalna
szybkoÊç transmisji nie przekracza
0.5 Gb/s, optyczna wtyczka z Xanopti-
xu, z umieszczonymi na koƒcu wiàzki
72 Êwiat∏owodami o ∏àcznej gruboÊci
o∏ówka, pozwala przesy∏aç dane nawet
z pr´dkoÊcià 245 Gb/s.

Niestety, w przypadku uk∏adów hybry-

dowych pojawia si´ nieunikniony pro-
blem: wraz z szybkoÊcià roÊnie tempera-
tura ich pracy. Ju˝ teraz w niektórych
miejscach takich struktur si´ga ona 80ºC,
powodujàc degradacj´ laserów III-V. Dla-
tego hybrydowe chipy optoelektronicz-
ne znajdà raczej niszowe zastosowania
jako ∏àcza w wolniejszych urzàdzeniach
peryferyjnych, a nie jako elementy pra-
cujàce w samym sercu komputera.

Intel poleci∏ wi´c swoim naukowcom

skoncentrowaç si´ na g∏ównym nurcie
technologii CMOS w nadziei, ˝e pew-
nego dnia uda si´ wkomponowaç ele-
menty optoelektroniczne wprost do mi-
kroprocesora lub innych chipów na
p∏ycie g∏ównej komputera, wykorzystu-
jàc istniejàce ju˝ linie produkcyjne. Aby
osiàgnàç tzw. integracj´ monolitycznà,
in˝ynierowie próbujà zmusiç krzem i
inne pierwiastki przyjazne technologii
CMOS do emisji i detekcji Êwiat∏a.

To bardzo nietypowe zadanie. „Wed∏ug

nas z krzemu mo˝na zrobiç dos∏ownie
wszystko – z wyjàtkiem lasera” – mówi
Paniccia. Sam krzem nie ma odpowied-
nich w∏aÊciwoÊci kwantowomechanicz-
nych, pozwalajàcych wykorzystaç go do
emisji Êwiat∏a. Grupa z STMicroelectro-
nics, którà kieruje Coffa, wymyÊli∏a jed-
nak pewien trik pozwalajàcy obejÊç ten
problem. Wprowadzajàc niewielkie iloÊci
ceru lub erbu do warstwy ditlenku krze-
mu zawierajàcej nanokryszta∏y krzemu,
badacze otrzymali struktury, które po
przy∏o˝eniu niewielkiego napi´cia Êwie-
ci∏y na zielono lub niebiesko.

Poniewa˝ obserwowana luminescen-

cja nie jest koherentna, uzyskane ele-
menty to tylko diody Êwiecàce (LED), a
nie lasery. „Sà one jednak równie wy-
dajne jak ich odpowiedniki z arsenku
galu – stwierdza Coffa. – A poniewa˝ sà
kompatybilne z technologià CMOS, mo-
˝emy umieszczaç je bezpoÊrednio w in-
nych produkowanych elementach”. Do
koƒca roku STMicroelectronics zamie-
rza wprowadziç na rynek transoptory
pozwalajàce komputerom sterowaç ob-
wodami wysokiego napi´cia.

Optyczna galeria szeptów

KRZEMOWE DIODY

LED

byç mo˝e pos∏u˝à

jako êród∏o Êwiat∏a dla laserów, które
zaprezentowa∏ w tym roku Kerry J. Va-
hala i jego wspó∏pracownicy z California
Institute of Technology. Vahala i inni
eksperymentowali z mikroskopijnymi
dyskami z ditlenku krzemu umieszczo-
nymi na krzemowych kolumienkach.
Wyg∏adzajàc kraw´dzie dysków i pre-
cyzyjnie dobierajàc ich Êrednic´, Vaha-
la stworzy∏ optyczny odpowiednik gale-
rii szeptów. Âwiat∏o z biegnàcego tu˝
obok Êwiat∏owodu wnika cz´Êciowo do
wn´trza dysku i krà˝àc po jego obwo-
dzie zwi´ksza swe nat´˝enie ponad mi-
lion razy [dolna ilustracja na stronie 62],
a nast´pnie wydobywa si´ na zewnàtrz
jako promieniowanie laserowe.

Niespójne êród∏a takie jak diody LED

mogà pompowaç Êwiat∏o do dysków lub
filtrowaç promieniowanie laserowe do-
cierajàce z zewnàtrz chipu, wzmacniaç
je i przesuwaç na innà d∏ugoÊç fali. „Za-
miast wytrawiaç dyski, mo˝na wytra-
wiaç dziury. Laser powstanie wtedy na
kraw´dzi pustego obszaru” – wyjaÊnia
Vahala. ¸atwiej b´dzie wtedy sprzàc go
ze Êwiat∏owodami i elementami optycz-
nymi na powierzchni. „Takie «mikrown´-
kowe» lasery mo˝na by wykorzystaç jako
êród∏o Êwiat∏a transportujàcego dane
na zewnàtrz chipu” – przewiduje.

Aby to osiàgnàç, in˝ynierowie muszà

znaleêç sposób pozwalajàcy zamieniç
sygna∏ elektryczny na optyczny. Do nie-
dawna zadanie to by∏o trudne w przy-
padku krzemu, a stosowane metody nie
zapewnia∏y odpowiedniej szybkoÊci ani
stabilnoÊci. Dopiero w lutym tego roku
zespó∏, którym kieruje Paniccia, opu-
blikowa∏ sposób wykorzystania krzemu
do modulacji wiàzki laserowej – prze-
∏àczania jej w rytm sygna∏u cyfrowe-
go – z 50 razy wi´kszà ni˝ dotychczas
szybkoÊcià.

„W tej kostce znajduje si´ oko∏o 100

modulatorów” – mówi Paniccia, podno-
szàc chip krzemowy nie wi´kszy od
znaczka pocztowego. Znajdujemy si´ w
Optics Lab 1A w centrum badawczym
Intela w Santa Clara. „A to ju˝ dzia∏ajà-
cy przyrzàd” – kontynuuje, kierujàc si´
w stron´ peceta po przeciwnej stronie
pokoju. Komputer odtwarza film Termi-
nator 3 nagrany z wysokà jakoÊcià na
krà˝ku DVD. Kopi´ ka˝dego bitu ze stru-
mienia danych wideo maszyna wysy∏a
do kabla Ethernetu oraz do obwodu na
niewielkiej p∏ytce z pojedynczym mo-
dulatorem.

Chocia˝ fala noÊna pochodzi z lasera,

uk∏ad dzia∏a w zasadzie tak samo jak zwy-
k∏y nadajnik radiowy z modulacjà ampli-
tudy (AM) [ilustracja na poprzedniej stro-
nie]. Mikroskopijna wiàzka laserowa dzieli
si´ na dwie, które biegnà w równoleg∏ych
ga∏´ziach. Kondensatory CMOS umiesz-
czone pod ka˝dà z ga∏´zi – pod∏àczone
elektrycznie do kabla Ethernetu – groma-
dzà lub uwalniajà ∏adunek elektryczny.
„Kiedy sà silnie na∏adowane, elektrony
oddzia∏ujà ze Êwiat∏em” – wyjaÊnia Pa-
niccia, przesuwajàc wzgl´dem siebie fa-

64

ÂWIAT NAUKI GRUDZIE¡ 2004

BRY

AN CHRISTIE

ZMIANA KSZTA¸TU
KOMPUTERÓW

KONIECZNOÂå UMIESZCZANIA elementów
komputera w jednej obudowie byç mo˝e w
bardziej odleg∏ej perspektywie zniknie dzi´ki
szybkim ∏àczom fotonicznym. „W przypad-
ku sygna∏ów elektrycznych przy odleg∏oÊci
4 m mamy do czynienia z zupe∏nie innymi
zjawiskami fizycznymi ni˝ przy 10 cm
– stwierdza Ravindra A. Athale z Defense
Advanced Research Projects Agency. – Kiedy
wkroczymy w Êwiat fotoniki, nie b´dzie zna-
czàcej ró˝nicy mi´dzy 10 cm a 4 m czy na-
wet 400 m. Dlatego po∏àczone optycznie
komponenty komputera b´dà mog∏y znaleêç
si´ w znacznych odleg∏oÊciach od siebie, na-
dal funkcjonujàc jako jedna maszyna.

W samochodzie na przyk∏ad procesory,

uk∏ady pami´ci i nap´dy dysków b´dà zain-
stalowane w dogodnych miejscach nadwo-
zia i po∏àczone Êwiat∏owodami. „Daimler
Chrysler planuje wykorzystanie laserowych
∏àczy optycznych o szybkoÊci kilku gigabi-
tów w modelach mercedesa klasy S ju˝ w
roku 2005” – zauwa˝a Athale.

W zasadzie ka˝dy pracownik biura móg∏-

by w przysz∏oÊci korzystaç z komputera ze-
stawionego za pomocà ∏àczy optycznych z
rozproszonych w budynku elementów. Ta-
kà maszyn´ mo˝na by w razie potrzeby
„podkr´caç” po prostu wciÊni´ciem klawi-

z´ fali w obydwu ga∏´ziach. Kiedy ponow-
nie si´ spotykajà, w wyniku interferencji
powstaje ciàg impulsów w rytm bitów ze
strumienia wideo.

Âwiat∏o unosi dane pojedynczym

Êwiat∏owodem cieƒszym od paj´czej ni-
ci, który ∏àczy chip modulatora i foto-
detektor umieszczony w innym kompu-
terze odleg∏ym o kilka metrów. Monitory
obydwu komputerów z idealnà zgodno-
Êcià pokazujà, jak Arnold Schwarzeneg-
ger wyskakuje z samochodu.

Na razie cz´stotliwoÊç pracy modu-

latora si´ga 2.5 GHz. „Potrafimy go jed-
nak zmniejszyç, a wtedy cz´stotliwoÊç
wzroÊnie nawet do 10 GHz” – zapew-
nia Paniccia. – Integrujàc wszystkie te
elementy w jednym chipie, dostaniemy
coÊ takiego – opowiada dalej, podno-
szàc do oczu wtyczk´ z∏àcza Ethernetu
– niewielki krzemowy przyrzàd optycz-
ny, który mo˝na wetknàç gdziekolwiek,
zast´pujàc interfejsem za 250 dolarów
router, który kosztuje 25 tys. dolarów.

„OczywiÊcie, je˝eli chcemy wysy∏aç da-

ne z szybkoÊcià 10 GHz, musimy je rów-
nie szybko odbieraç” – podkreÊla Morse.
Dla podczerwieni, którà zazwyczaj wy-

korzystuje si´ w elementach fotonicz-
nych, krzem jest równie przezroczysty
jak szk∏o dla Êwiat∏a widzialnego. Ale do-
dajàc german w iloÊci, którà i tak stosu-
jà producenci uk∏adów scalonych, aby
zwi´kszyç szybkoÊç procesorów, mo˝na
uzyskaç fotodetektory kompatybilne z
technologià CMOS i zdolne zamieniaç
impulsy Êwiat∏a na sygna∏y elektryczne.

To, co najlepsze

KRZEM

jako materia∏ fotoniczny przeby∏

przez ostatnie dwa lata dalekà drog´. O
wiele wi´kszy dystans trzeba jeszcze poko-
naç, zanim b´dzie mo˝na z jego wykorzy-
staniem transmitowaç dane z szybkoÊcià
przekraczajàcà 20 GHz. Niewykluczone
wi´c, ˝e najbardziej op∏acalnym rozwià-
zaniem oka˝e si´ stosunkowo nowa me-

toda po∏àczenia elektroniki i fotoniki zwa-
na integracjà polilitycznà.

Idea polega z grubsza na umieszcze-

niu procesora CMOS na p∏ycie g∏ównej
o g´stej sieci po∏àczeƒ optycznych i elek-
trycznych. Âwiat∏o by∏oby dostarczane
do procesora z ma∏ych (a przez to rela-
tywnie tanich) uk∏adów III-V rozmiesz-
czonych w pewnej odleg∏oÊci, aby si´
nie przegrzewa∏y.

James D. Meindl i Muhannad S. Ba-

kir z Georgia Institute of Technology
oraz Anthony V. Mulé z Intela zapropo-
nowali kilka sposobów integracji poli-
litycznej. Jeden z nich okreÊla si´ jako
„morze wyprowadzeƒ”: w koƒcowym
etapie produkcji procesora na jego obu-
dowie wytrawia si´ tysiàce mikrosko-
pijnych metalowych spr´˝ynek w kszta∏-
cie litery S. Pràd elektryczny przep∏ywa
przez spr´˝ynki, a Êwiat∏o przedostaje
si´ przez otwory w ich Êrodku i pada na
siatki dyfrakcyjne, które kierujà wiàzki
do Êwiat∏owodów wewnàtrz chipu lub
na p∏ycie g∏ównej.

Drugie rozwiàzanie polega na umiesz-

czeniu procesora na tysiàcach przezro-
czystych, plastikowych nó˝ek dopaso-
wanych do okràg∏ych plastikowych
gniazd na p∏ycie [ilustracja na stronie
63]. Grupa Meindla zdo∏a∏a wytworzyç
regularny uk∏ad s∏upków o Êrednicy
5

µm oddalonych od siebie o 12 µm. Na-

ukowcy pokazali tak˝e, ˝e niektóre z
nich i odpowiadajàce im gniazda mo˝-
na pokryç metalem, aby uzyskaç kon-
takt elektryczny zamiast optycznego.

Ju˝ za 10 czy 15 lat mikroprocesor na-

je˝ony dziesiàtkami tysi´cy nó˝ek b´dzie
nie tylko pulsowaç prze∏àczanym z wyso-
kà cz´stotliwoÊcià pràdem, ale tak˝e mru-
gaç podczerwienià. Tranzystory i prze-
wodzàce Êcie˝ki b´dà rozmieszczone na
przemian z laserami i Êwiat∏owodami.
Wielka przepaÊç dzielàca rozwijanà w
laboratoriach fotonik´ i elektronik´ u˝yt-
kowà zaczyna wreszcie znikaç, i wyjdzie
to u˝ywanym przez nas komputerom
na dobre.

n

* Pierwiastki z grup III i V sà w krzemie odpowied-
nio akceptorami i donorami.

GRUDZIE¡ 2004 ÂWIAT NAUKI

65

Ultralow-Threshold Microcavity Raman Laser on a Microelectronic Chip. Kerry J. Vahala i in.;

Optics Letters, tom 29, nr 11, s. 1224–1226; 1 VI 2004.

Sea of Polymer Pillars Electrical and Optical Chip I/O Interconnections for Gigascale Integration.

M. S. Bakir i J. D. Meindl; IEEE Transactions On Electron Devices, tom 51, nr 7, s. 1069–1077,
VI/2004.

A High-Speed Silicon Optical Modulator Based on a Metal-Oxide-Semiconductor Capacitor. Mario

Paniccia i in.; Nature, tom 427, s. 615–618; 12 II 2004.

Silicon Photonics. Red. Lorenzo Pavesi i David J. Lockwood; Springer, 2004.

JEÂLI CHCESZ WIEDZIEå WI¢CEJ

sza, pod∏àczajàc do szybszego procesora
lub wi´kszej pami´ci.

Na razie jednak rozwa˝anie wp∏ywu wpro-

wadzenia magistrali fotonicznych na archi-
tektur´ komputerów to w du˝ej mierze spe-
kulacje. „Konstruktorzy nie zajmujà si´ tym

tematem, bo wiedzà, ˝e tej technologii jesz-
cze nie ma” – podsumowuje Athale. Jesz-
cze nie ma, ale ju˝ powstaje.

Deska

rozdzielcza

Komputer

do nawigacji

Samochodowe
centrum rozrywki

Nap´dy CD,
DVD i twardych
dysków

Systemy ∏àcznoÊci e-mailowej
i przez telefon komórkowy

Komputerowy
system kontroli
silnika

Sieç

Êwiat∏owodowa

Mikroprocesor,
pami´ç i karty
graficzne

Czujniki i si∏owniki
kontroli trakcji