Путь к суперкомпьютерам будущего лежит через кремний
Через 20 лет обычный ноутбук или смартфон догонят самый производительный современный суперкомпьютер. О том, какую роль в этом сыграет кремниевая оптоэлектроника, и об успехах российских учёных в этой области рассказал в ФИАН директор Института физики микроструктур РАН (ИФМ РАН), профессор Захарий Фишелевич Красильник. Доклад прошел в рамках Вавиловских чтений.

Производство компьютерных процессоров устойчиво развивается уже более 40 лет, причём их производительность удваивается каждые два года. Главные проблемы, с которыми сталкивается отрасль IT, – это увеличение скорости передачи данных и рост энергопотребления. Корни этих проблем, по мнению З.Ф. Красильника, лежат в электрических межсоединениях в процессоре:

«Уменьшая топологический размер, мы как бы увеличиваем быстродействие, но начиная с некоторых размеров быстродействие уже определяется не полупроводниковыми элементами на интегральной схеме, а банальными медными проводами. И в суперкомпьютерах всё зависит от них».

При этом провода, которых в современном процессоре можно насчитать 5 км на 1 см2, уже достигли физического предела в скорости передачи данных.
Преодолеть «потолок» скорости помогут оптические межсоединения. Оптимальным материалом для их создания многие специалисты считают кремний: этот дешёвый полупроводник прозрачен и имеет низкие потери, а межсоединения на его основе совместимы с хорошо разработанными КМОП-технологиями (технологии разработки микросхем на основе комплементарных структур металл-оксид-полупроводник). Мнения о перспективности кремния придерживаются и главные «игроки» в области приборостроения – рынок кремниевой микроэлектроники в 2012 году превысил четверть триллиона долларов.
Кремний известен как достаточно дешёвый полупроводник с хорошими электрическими свойствами, но он не люминесцирует на длине волны 1,5 мкм, используемой при генерации лазерного излучения. Для решения этой проблемы учёные ИФМ РАН решили не использовать кремний в чистом виде, а создавать на его основе сложные наноструктуры, которые, как выяснилось, могут хорошо излучать и быть пригодными для микролазеров. Наноструктуры создаются методом молекулярно-пучковой эпитаксии (синтез полупроводниковых гетероструктур, при котором кристаллический материал выращивается на поверхности нагретой подложки в условиях сверхвысокого вакуума) с использованием различных активных сред: квантовых точек германия на кремнии, редкоземельного иона эрбия, дисилицида железа и др.
З.Ф. Красильник рассказал об одной из этих технологий:

«Германий люминесцирует в области около 2 мкм, кремний – в области 1,1 мкм. Твёрдый раствор GeSi способен излучать в области 1,5 мкм. Из-за свойств атомной решётки германия тонкий слой этого вещества, выращенный на поверхности кремния, будет немного сжиматься. Упругие напряжения в системе SiGe/Si приводят к тому, что послоевой рост начиная с 3-4-го атомного слоя сменяется ростом самоформирующихся трёхмерных наноостровков – квантовых точек».

Шаг за шагом осваивая технологию роста упорядоченных массивов этих точек с заданными свойствами, сотрудники ИФМ РАН получили материал с необходимыми оптическими качествами. В результате специалисты научились создавать свето- и фотодиоды с нужными люминесцентными характеристиками, работающие, в том числе, и при комнатной температуре.

krasilnik

• 

Сотрудники ИФМ РАН за созданием наноструктур на основе кремния и германия
(фото предоставлено докладчиком)

В докладе в ФИАН были озвучены и последние мировые достижения в кремниевой микроэлектронике. Основной итог – кремниевая элементная база оптических межсоединений практически создана. Прогресс особенно заметен в разработке соединений на уровне "chip-to-chip" с использованием гибридных лазеров. Уже созданы интегрированные передающий и приемный чипы с кремниевыми оптоэлектронными элементами, со скоростью передачи информации 40 Гб/с и перспективой её увеличения до 1 Тбит/с. Кроме того, в 2013 году IBM начала производство процессора с комбинированными электрическими и оптическими межсоединениями, содержащими компоненты кремниевой нанофотоники. Скорость передачи данных в процессоре превышает 25 Gbps.
В заключение учёный сказал:

«У нас накоплен огромный потенциал в области технологии кремниевых светоизлучающих наноструктур, а значит, есть основа для кооперации как внутри страны, так и с зарубежными партнерами. Ближайшие годы обещают быть богатыми на события в области кремниевых оптических межсоединений – нам важно не упустить свой шанс».