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Articoli di approfondimento - Nuova frontiera: chip che trasferiscono dati alla velocità della luce

L'industria informatica si sta avvicinando a una crisi: i microchip diventano sempre più piccoli e veloci, ma fanno fatica a trasferire i dati alle velocità necessarie. Il flusso degli elettroni attraverso le connessioni dei chip standard è semplicemente troppo lento. Ora ricercatori finanziati dall'UE hanno dimostrato come i chip con laser incorporati, che utilizzano varie lunghezze d'onda della luce, potrebbero in futuro trasmettere dati alla velocità di terabit.

Economia digitale

I laser sono l'ideale per la trasmissione di informazioni. Ogni volta che si utilizza Internet o si fa una chiamata telefonica, i dati, sotto forma di impulsi di luce o fotoni, percorrono centinaia di chilometri attraverso le reti in fibra ottica che attraversano il continente. Ma la parte interna dei computer continua a essere costruita usando l'elettronica vecchio stile. I microprocessori eseguono i loro calcoli usando gli elettroni e trasferiscono anche i dati all'interno e tra i chip utilizzando elettroni. "L'elettronica si sta rapidamente avvicinando a un punto crisi", spiega Dries Van Thourhout del Dipartimento di tecnologia dell'informazione dell'Università di Gand, un laboratorio associato di imec, in Belgio. "Finora abbiamo cercato di aumentare la velocità dei transistori, ma tali prestazioni adesso non aumentano più, si tratta quindi di fare entrare più cose in uno spazio più piccolo. Ma il più grande ostacolo alle prestazioni è la velocità dei collegamenti tra chip e dispositivi. Noi lo chiamiamo il "collo di bottiglia dell'interconnettività". Provate a immaginare una fabbrica di dolci che fa migliaia di dolci al secondo, ma l'impianto riesce a impacchettarli e inviarli ai negozi al ritmo di poche centinaia al secondo. A meno che non rallentiate la produzione, i dolci finiranno per accumularsi, rotolando sul pavimento e intasando il sistema. I potenti microprocessori dei computer oggi utilizzano enormi quantità di dati ed eseguono milioni di calcoli al secondo. È necessario trasferire tali dati all'interno del vostro computer (o del vostro telefono cellulare), ma i collegamenti non riescono a tenere il passo, semplicemente non sono in grado di spostare gli elettroni abbastanza velocemente. L'unica soluzione sarebbe quella di rallentare la produzione di dati. Ecco dove entra in gioco la luce: grazie al laser è possibile inviare fotoni attraverso "fili" di silicio, al posto degli elettroni. La luce a lunghezze d'onda infrarosse viaggia molto bene attraverso il silicio, spiega Van Thourhout. Ma la velocità della luce non è il motivo per cui le interconnessioni ottiche sono meglio. Il vero trucco è che la luce può essere "multiplex", ovvero che è possibile inviare fotoni di diverse lunghezze d'onda allo stesso tempo attraverso la vostra interconnessione. Utilizzando tre lunghezze d'onda si triplica in modo efficace la velocità di trasmissione dei dati. Divide et impera Con questo in mente, il progetto Wadimos ("Wavelength division multiplexed photonic layer on CMOS") intendeva sviluppare un chip di dimostrazione con interconnessioni ottiche multiplexing. Il chip è basato sulla tecnologia sviluppata in un progetto precedente (PICMOS), che ha creato il primo microchip con sorgenti luminose microlaser integrate, grazie a un singolare "collante" sviluppato dai partner PICMOS. "Il progetto PICMOS stato un grande successo. Abbiamo dimostrato che era possibile produrre interconnessioni ottiche che avrebbero funzionato", dice Van Thourhout. "Ma è diverso fare e dimostrare qualcosa in laboratorio. Non si riuscirà a introdurre chip come questi sul mercato o a risolvere il collo di bottiglia dell'interconnettività, a meno che essi non potranno essere prodotti su scala industriale, fabbricandoli a milioni. PICMOS ha dimostrato il principio delle interconnessioni ottiche. Wadimos sta dimostrando che la multiplazione è possibile e che i chip possono essere prodotti in un impianto di fabbricazione CMOS standard." Il più grande produttore europeo di chip STMicroelectronics ha lavorato in collaborazione con università e istituti di ricerca in Francia e in Italia, e con una PMI olandese specializzata in litografia (acquaforte) per i componenti elettronici. Insieme, questi partner hanno esteso i risultati di PICMOS e li hanno adattati a processi produttivi più commerciali. Una delle sfide più grandi era quella di sostituire le connessioni in oro dei microlaser nel prototipo PICMOS. "Non si può avere l'oro in un impianto di fabbricazione di chip", spiega Van Thourhout. "L'oro è un agente inquinante, i partner di CEA-LETI hanno quindi sviluppato un processo che prevedeva il collegamento dei laser integrati sui chip mediante metalli comunemente usati nella produzione di chip come l'alluminio, il titanio e il nitruro di titanio." Il partner di progetto belga imec ha anche lavorato per ottimizzare le strutture router passive in silicio e ne ha studiato la realizzabilità industriale. Altri partner di progetto hanno fornito la loro esperienza: l'Istituto di nanotecnologia di Lione (INL), in Francia, ha dimostrato un nuovo tipo di "microsource" per la quale è possibile controllare la lunghezza d'onda di uscita. INL ha anche collaborato con STMicroelectronics per sviluppare un modo per simulare la rete ottica su un chip. Infine, l'Università degli Studi di Trento, in Italia, ha progettato e dimostrato un nuovo tipo di router di silicio che potrebbe essere utilizzato per "commutare" i fotoni in percorsi ottici particolari. Mettendo insieme questi sviluppi, il team Wadimos ha prodotto una rete di otto blocchi di silicio completamente interconnessi. I ricercatori hanno dimostrato con successo la multiplazione attraverso queste connessioni e la fattibilità del filtraggio ottico per dirigere e controllare il passaggio di fotoni attraverso le interconnessioni in silicio e il loro successivo rilevamento. C'è comunque ancora molta ricerca da fare, soprattutto per mantenere in funzione i laser in un ambiente ad alta temperatura come quello della superficie di un chip. Van Thourhout dice che occorrerà trovare nuovi materiali capaci di resistere al calore. "Siamo tuttavia molto fiduciosi che questo approccio si rivelerà un grande successo nel lungo termine", afferma. "Stiamo assumendo un approccio esplorativo." Egli spiega che altri gruppi di ricerca, specialmente negli Stati Uniti, hanno sviluppato interconnessioni ottiche che utilizzano una sorgente laser "off chip", il raggio laser viene diviso e reindirizzato per ciascuna interconnessione. "Questi chip sono più avanzati e presto saranno utilizzati nei supercomputer - dice Van Thourhout - e possono poi eventualmente passare all'informatica comune, ma nel lungo periodo sarà più conveniente avere chip con sorgenti laser integrate. "Auspichiamo che le interconnessioni Wadimos consentiranno alla potenza di elaborazione dei computer di continuare ad aumentare e superare il collo di bottiglia della trasmissione dei dati. Il nostro obiettivo è quello di fare delle interconnessioni ottiche una tecnologia standard, che sosterrà lo sviluppo di microprocessori ancora più potenti e più piccoli, in grado di trasferire dati alla velocità di 100 terabit al secondo." Il progetto Wadimos ha ricevuto 2,3 milioni di euro (di un bilancio totale di 3,2 milioni di euro) di finanziamenti di ricerca nell'ambito del programma TIC (Next-Generation Nanoelectronics Components and Electronics Integration) del Settimo programma quadro dell'UE (7° PQ). Link utili: - Sito web del progetto "Wavelength Division Multiplexed Photonic Layer on CMOS" - Scheda informativa del progetto WADIMOS su CORDIS - Sito web del progetto "Photonic Interconnect Layer on CMOS by Waferscale Integration" - Scheda informativa PICMOS su CORDIS Articoli correlati: - Copper's not coping: new chips call on light speed