La svolta di Intel

La legge di Moore, che ha celebrato il suo 40° anniversario questa primavera, è stata la più grande benedizione dell'industria dei semiconduttori. Nel 1965, il cofondatore di Intel Gordon Moore progettò che il numero di transistor su un chip per computer sarebbe raddoppiato ogni due anni. A quel tempo, un chip conteneva solo poche dozzine di transistor. Oggi, il chip di fascia alta di Intel contiene più di 1,7 miliardi di transistor e si prevede che tale numero supererà i 10 miliardi entro il 2012. Questa marcia costante di quattro decenni ha alimentato la moderna rivoluzione dei computer e ha trasformato Intel in una potenza tecnologica.

Ma la capacità di impacchettare sempre più transistor e altri circuiti sui chip sta esacerbando una serie di problemi che potrebbero, se diventano abbastanza gravi, minacciare la crescita dell'economia digitale esistente basata sul silicio. Solo alcune delle aree problematiche: accumulo di calore, correnti elettriche che fuoriescono dai circuiti, diafonia elettrica tra fili vicini. Le ultime CPU per computer desktop, ad esempio, consumano 100 watt di potenza. Le CPU dei laptop sono generalmente più efficienti, poiché hanno lo scopo di massimizzare la durata della batteria. Ma anche ora consumano fino a 75 watt. È come mettere un tostapane sulle ginocchia, afferma Pat Gelsinger, vicepresidente senior di Intel. Una soluzione che dovrebbe diffondersi è aumentare il numero di transistor su un chip non rendendoli più piccoli, ma semplicemente abbattendo lo stesso schema di circuito due o più volte sulla stessa lastra di silicio. Intel ha rilasciato i suoi primi chip dual core questa primavera. E i dirigenti Intel immaginano un futuro di molti chip core, con un massimo di mille processori affiancati.

Ma c'è un problema. I fili di rame che veicolano il flusso del digitale uno sabbia 0 I messaggi in entrata e in uscita da un computer e tra i processori in alcuni computer possono trasportare solo una quantità di dati così veloce. Se raddoppio le prestazioni [di un processore], devo raddoppiare le prestazioni dentro e fuori il chip, dice Gelsinger. Il rame, la nostra tecnologia di interconnessione tradizionale, sta esaurendo la velocità.

Il problema è che gli impulsi elettrici che viaggiano attraverso un filo di rame incontrano una resistenza elettrica, che degrada le informazioni che trasportano. Di conseguenza, i bit di dati che viaggiano attraverso il rame devono essere sufficientemente distanziati e muoversi abbastanza lentamente da consentire ai dispositivi all'altra estremità del filo di rilevarli. Questa limitazione sta già producendo ingorghi nel traffico dati sulle reti locali che utilizzano cavi di rame per collegare i computer. E molti esperti prevedono che creerà colli di bottiglia per il traffico di dati tra più processori all'interno dei singoli computer. Il risultato è che anche se la legge di Moore continua a reggere, i computer non saranno più in grado di sfruttare l'aumento di potenza che offre, dal momento che non saranno in grado di spostare i dati dentro e fuori i chip abbastanza velocemente da stare al passo con i processori . È una sfida fondamentale: i computer devono trovare un modo più veloce per spostare una grande quantità di dati sia all'interno che tra i chip.

Entra nel laser al silicio. Le connessioni ottiche possono trasportare migliaia di volte più dati al secondo rispetto ai cavi di rame. Ma i componenti ottici esistenti, che sono fatti di semiconduttori esotici come l'arseniuro di gallio e il fosfuro di indio, sono troppo costosi per l'uso in singoli computer o anche in reti locali. Se potessi realizzare dispositivi ottici con il silicio, che è economico e, almeno per un'azienda come Intel, facile da produrre, cambierebbe tutto. Il passaggio all'ottica al silicio aggiungerebbe una nuova capacità di base ai chip di silicio: la capacità di manipolare e rispondere alla luce. Le aziende probabilmente sfrutterebbero prima questa capacità sostituendo i collegamenti in rame con collegamenti ottici nelle reti. Ma alla fine, la fotonica al silicio potrebbe anche sostituire i fili di rame tra i processori all'interno di un singolo chip. I progettisti di chip hanno anche immaginato di utilizzare l'ottica al silicio negli orologi interni che i microprocessori utilizzano per eseguire le istruzioni, aumentando notevolmente le velocità di clock e quindi le velocità di calcolo.

Fino a poco tempo, tutte le speculazioni sul potenziale dell'ottica al silicio erano ipotetiche: non esistevano laser al silicio adatti. Ma le cose sono cambiate lo scorso inverno quando il laboratorio dello scienziato Intel Mario Paniccia ha segnalato il primo laser continuo interamente al silicio. Costruito utilizzando gli stessi metodi di produzione che producono i chip di silicio, il dispositivo sperimentale ha prodotto un flusso costante di fotoni infrarossi, un risultato che molti ricercatori ritenevano impossibile per il silicio.

È ancora agli inizi per la fotonica al silicio. Ma il risultato di Intel, che si basa sui risultati riportati lo scorso anno in una raffica di documenti che descrivono i progressi nei componenti ottici a base di silicio, sta convincendo molti esperti che potrebbe diventare pratico collegare strettamente la tecnologia ottica ed elettronica a livello di computer. I progressi compiuti dal team di Paniccia sono stati notevoli, afferma Graham Reed, un pioniere della fotonica del silicio presso l'Università del Surrey in Inghilterra. Ora tutti gli scettici stanno iniziando a credere che il silicio avrà un impatto reale sull'ottica.

I progressi previsti nella tecnologia del silicio manterranno quasi certamente la legge di Moore in vigore per il prossimo futuro, creando computer sempre più veloci. Accelerando enormi quantità di dati in entrata e in uscita dai chip e tra le macchine, la fotonica al silicio potrebbe aiutare le persone ad accedere a questa vasta potenza di calcolo.

Pessimo emettitore
Le fibre ottiche costituiscono la spina dorsale delle reti di telecomunicazioni a lunga distanza e sono in gran parte responsabili della velocità di Internet. Ma i componenti ottici non sono economici. L'invio e la ricezione ottica di dati richiede un laser che crei un raggio di luce; un modulatore che taglia quel raggio in raffiche on/off che rappresentano il digitale uno sabbia 0 S; guide d'onda che convogliano la luce attraverso i chip; e fotorivelatori che catturano la luce e la riconvertono in un segnale elettronico. Attualmente, questi dispositivi non sono fatti di silicio e la loro installazione costa migliaia di dollari. I fornitori di telecomunicazioni possono permettersi quei prezzi, ma rendere fattibile la tecnologia per spostare i dati all'interno di un computer significa ridurre i prezzi per ordini di grandezza.

Il silicio potrebbe essere la risposta. Il silicio per noi, forse non è un'esperienza religiosa, ma è abbastanza vicino, dice Gelsinger. Il silicio si è dimostrato conveniente, scalabile, durevole, producibile e ha tutti i tipi di altre meravigliose caratteristiche. Le parti fotoniche in silicio renderebbero l'ottica più accessibile e ne amplierebbero i potenziali usi. Oggi l'ottica è una tecnologia di nicchia. Domani è il mainstream di ogni chip che costruiamo, dice Gelsinger.

Fino a circa un anno fa, sembrava che il silicio non avrebbe mai avuto un ruolo significativo nell'ottica. Il silicio non è intrinsecamente il miglior materiale ottico, spiega Reed. Tra i suoi difetti più evidenti c'è che è un pessimo emettitore di luce. Quando gli elettroni nel silicio sono eccitati, invece di rilasciare fotoni, fanno vibrare il reticolo cristallino del silicio. Il risultato è calore, non luce. Al contrario, i semiconduttori come l'arseniuro di gallio e il fosfuro di indio emettono luce quando eccitati elettricamente. Quindi, mentre i ricercatori sono stati affascinati per anni dalle prospettive di un chip ottico, il consenso era che il silicio non era il materiale giusto con cui costruirlo.

Poi, alla fine degli anni '90, i ricercatori hanno riportato una serie di incoraggianti, sebbene preliminari, progressi nell'ottica al silicio (vedi Upstream , Technology Review, giugno 2001 ). In Intel, i progressi compiuti dal team di Paniccia hanno convinto i dirigenti a potenziare il programma di fotonica al silicio dell'azienda. La prima svolta di Intel è arrivata nel febbraio 2004, quando Paniccia ha riportato sulla rivista Natura che il suo gruppo aveva realizzato un modulatore al silicio in grado di convertire un flusso costante di luce da un laser in rapidi impulsi di 1 e 0 digitali a una velocità di un miliardo di hertz, o un gigahertz, un progresso di 50 volte rispetto al precedente record dimostrato sperimentalmente per silicio. Ma non era ancora abbastanza veloce, dice Reed. Quindi questa primavera, i ricercatori Intel guidati dallo scienziato dei materiali Ling Liao hanno segnalato un modulatore al silicio che funziona a 10 gigahertz, più o meno alla pari con altri modulatori ottici.

Ma il componente silicio-fotonico cruciale era ancora il laser. Lo scorso settembre, quattro gruppi separati, incluso quello di Paniccia, hanno riferito di laser al silicio che sparano impulsi di luce staccati. Poiché il silicio non converte le cariche elettriche in luce, tutti questi laser al silicio si affidavano a laser esterni come fonti di energia. Come tutti i laser basati su chip, i laser al silicio funzionano convertendo l'energia, in questo caso i fotoni di un'altra fonte di luce, in una raffica di fotoni con essenzialmente la stessa lunghezza d'onda e fase. I ricercatori Intel hanno sfruttato un principio noto da tempo chiamato effetto Raman, in cui i fotoni ottengono energia dalle collisioni con gli atomi in vibrazione.

Tuttavia, i laser a impulsi non sono ideali per la trasmissione di dati. Gli ingegneri ottici preferiscono di gran lunga i laser continui, che possono affettare e tagliare con modulatori per creare segnali di dati. Ma tutti i gruppi hanno lottato con lo stesso problema. Man mano che aumentavano la quantità di luce laser continua che alimentavano i chip di silicio, aumentava anche la probabilità che coppie di fotoni in arrivo colpissero contemporaneamente un singolo atomo di silicio. Quando ciò è accaduto, gli atomi di silicio hanno espulso gli elettroni dalle loro orbite atomiche e quelle cariche mobili hanno inghiottito voracemente i fotoni. Il laser in arrivo doveva essere pulsato per dare agli elettroni i milionesimi di secondi di cui avevano bisogno per rinunciare all'energia in eccesso e rilassarsi di nuovo ai loro stati di riposo.

Il team di Paniccia ha trovato una risposta brillante e, per chi ha familiarità con la tecnologia al silicio, concettualmente semplice. Incisa nel chip laser Intel c'era un canale di guida d'onda in silicio in cui la luce rimbalzava avanti e indietro, guadagnando in intensità. I ricercatori hanno impiantato elettrodi su entrambi i lati del canale. Quando hanno acceso una tensione tra gli elettrodi, ha creato un campo elettrico che ha radunato gli elettroni caricati negativamente verso l'elettrodo caricato positivamente, spazzandoli via efficacemente. Di conseguenza, i fotoni sono stati in grado di accumularsi senza ostacoli, fino a produrre un raggio laser continuo.

Lo scorso inverno, tre giorni prima di Natale, i colleghi di Paniccia Haisheng Rong e Richard Jones hanno visto il primo segno che la strategia stava funzionando: una linea sul display di un analizzatore di spettro ottico che mostrava che i fotoni infrarossi prodotti dal laser stavano uscendo in un flusso costante.

All'interno
I ricercatori Intel devono ancora trovare modi per produrre laser al silicio insieme a componenti elettronici su chip. I circuiti elettronici sono costruiti attraverso il meticoloso processo di posa e incisione di dozzine di strati di materiali. Alcuni di questi passaggi richiedono temperature ben oltre i 1.000 °C o l'esposizione a sostanze chimiche caustiche. Quindi gli ingegneri di Intel dovranno assicurarsi che i passaggi necessari per costruire i dispositivi ottici non degradino i circuiti elettronici e viceversa.

Come prima dimostrazione dell'utilità della fotonica del silicio, Paniccia prevede entro la fine dell'anno di integrare diversi modulatori e altri componenti ottici su un pezzo di silicio; questa configurazione dovrebbe consentire velocità di trasferimento dati di 100 gigabit al secondo. Un tale prototipo, spera Paniccia, illustrerà il potenziale della fotonica del silicio per trasportare dati dentro e fuori i chip in modo molto più efficiente di qualsiasi cosa attualmente sul mercato.

Passeggiando per uno dei suoi laboratori recentemente rinnovati questa primavera, Paniccia ha mostrato un modello di un cavo Ethernet ottico che utilizzerebbe la fotonica del silicio. Mentre Paniccia normalmente mantiene il comportamento modesto e attento di uno scienziato, è chiaro che gli piace usare l'elica per vendere la sua visione del nuovo ruolo del silicio. All'estremità del cavo sottilissimo si trova un connettore che ricorda l'estremità di un cavo telefonico, con cuscinetti di metallo posti sotto minuscole fessure in un involucro di silicone. In una versione funzionale del cavo, i segnali elettrici viaggeranno da un chip di computer attraverso quei pad metallici a un chip fotonico di silicio all'interno del minuscolo connettore, dove verrebbero convertiti in un flusso di impulsi luminosi.

Sebbene all'esterno il cavo assomigli a una tecnologia familiare, l'aggiunta di fotonica al silicio a basso costo porterebbe velocità e potenza senza precedenti ai computer. E consentirebbe a Intel di aggiungere il suo famoso logo Intel all'interno del marchio a un'altra tecnologia in trasformazione. Realizzare quella visione non sarà facile. Tuttavia, Paniccia è convinto che accadrà. Non c'è più dubbio se possiamo farlo. È quando e come. Questo è stato il cambiamento nell'ultimo anno. E quando l'ultima barriera tecnica cadrà, dice, la fotonica al silicio sarà ovunque.

Robert Service è uno scrittore con sede a Portland, in sala operatoria, che si occupa di chimica e scienza dei materiali per Scienza.

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