Imec integreert lasers in siliciumwafers voor photonics

Het imec heeft, samen met onderzoekers van UGent, een methode ontwikkeld om lasers te integreren op siliciumwafers. Daarmee zou de productie van silicon photonics, een combinatie van optische communicatie en transistortechniek, eenvoudiger en goedkoper worden.

Het integreren van halfgeleiders die geschikt zijn voor lasers, op hetzelfde siliciumsubstraat dat gebruikt wordt voor halfgeleiders voor onder meer processors is zeer lastig. De kristalstructuur van laser-halfgeleiders komt niet overeen met die van het silicium, waardoor extra stappen nodig zijn om eerst een compatibiliteitslaag aan te brengen. Onderzoekers van het imec, een internationaal onderzoekscentrum dat onder meer in het Belgische Leuven actief is, hebben samen met onderzoekers van de universiteit van Gent een methode ontwikkeld om dat proces te vereenvoudigen.

Ze maakten gebruik van siliciumwafers waarop een patroon van siliciumoxide was aangebracht waarop het laser-halfgeleidermateriaal kon 'groeien'. Dat halfgeleidermateriaal, indiumfosfide, werd als damp opgebracht waarbij het voorgeëtste patroon als houvast diende. Voor de laserwerking werden roosters in de waveguides van het indiumfosfide geëtst. Door de roosters te variëren kon de golflengte van de lasers ingesteld worden en tijdens tests bleken de lasers uniform te functioneren. Op deze manier werden op een volledige 300mm-wafer van silicium met behulp van standaard cmos-productiemethoden InP-lasers gebouwd.

Het onderzoek zou de weg banen voor grootschalige en goedkope productie van lasers op siliciumwafers. Dergelijke lasers kunnen dan met cmos-structuren als processors of signaalverwerkers gecombineerd worden, zodat de lasers direct met elektrische pulsen bediend worden. Daarmee zouden optische chips gerealiseerd kunnen worden, waardoor optische datacommunicatie sneller kan verlopen en zelfs binnen computers met optische in plaats van elektrische signalen gecommuniceerd kan worden.

Reacties (23)

[HolyJozef]

Dus om een helder beeld te vormen, in feite zijn deze chips precies hetzelfde als normale chips met de uitzondering dat signalen/gegevens nu van A naar B worden overgedragen mbv licht ipv elektronen?

Zo niet, kan iemand dan verhelderen wat het nut is van deze techniek?

[kidde]

Het gaat om de manier om data van A naar B te brengen.

Als consument wil je dat zo snel mogelijk, en dat het zo min mogelijk energie kost.

Koperen 'leidinkjes' hebben nadelen:
-Ze hebben weerstand, dus verliezen ze energie en geven ze hitte af,
-Ze kunnen lading opbouwen, dus werken als condensator (ook als er meerdere bij elkaar in de buurt zijn),
-Naarmate de frequentie hoger wordt, wordt de impedantie (weerstand) dus ook de verliezen hoger.
-Signaal-integriteit: Je wilt graag met een zo laag mogelijke spanning signalen overbrengen om verliezen te minimaliseren, maar onder een bepaalde drempel wordt je signaal kleiner dan de ruis, en kunnen je 1'tjes onderweg 0'etjes worden en andersom,
-EMI: Andere apparaten kunnen mogelijk het signaal beinvloeden. Bijvoorbeeld een magnetron op je PC of je videokaart op je CPU. Dit moet je dus goed afschermen.

Optische "leidinkjes" hebben deze nadelen veel minder, maar zijn lastiger om te maken, dus duurder. o.a. daarom (er speelt meer mee) is een glasvezel-abonnement duurder dan ADSL.

Zoals IMEC het zegt: "Such laser-powered PICs will revolutionize data transfer between future logic and memory chips." --> Het gaat dus om de verbinding tussen "rekeneenheden" (van oudsher CPU) en "geheugeneenheden" (van oudsher RAM). Op een SoC worden die vaak op 1 stuk sillicium geplaatst, al dan niet met een "tussenplaat" (interposer). Onder andere optische data-communicatie over een interposer is dus erg interessant voor de consument.

Het idee is, dat voor sommige toepassingen de prestatie wordt bepaald door de snelheid van communicatie tussen rekeneenheden en geheugen, dat is de limiterende factor. Ook stroomverbruik (batterijgebruik van mobiele telefoon) is hier dus erg voor afhankelijk.

Op zich kan dit allemaal al lang, maar het is vrij lastig / duur om te maken. Zoals IMEC uitlegt, was het grootste probleem als je je "lasermateriaal" op je sillicium-plaat wil plakken, die twee lagen niet goed hechten - omdat de kristalstructuren van lasermateriaal en sillicium verschillen. Dat is nu door IMEC opgelost, en ook al deels geschikt gemaakt voor productie.

[Reactie gewijzigd door kidde op 22 juli 2024 18:41]

[Durandal]

Hoe zit het eigenlijk met de uitzettingscoeffienten van die materialen? Wat gebeurt er als het warmer wordt op korte en lange termijn? Gaat je toekomstig IC stuk als je hem niet op kamertemperatuur houdt?

[Rob Coops]

Het lijkt me dat men daar wel over heeft na gedacht, immers wat heeft het voor zin om een laser en een transistor op een chip te plakken als ze wanneer de temperatuur te hoog wordt die zelfde chip door verschillen in uitzetting zich zelf uit elkaar trekt.

Daarnaast waarom kamer temperatuur? Waarom niet onder de 80 graden zo als de huidige chips? Een chip die onder de 80 graden blijft vandaag de dag werkt net zo goed als de zelfde chip op kamer temperatuur. Immers 3.5GHz is 3.5GHz of de chip nu warm is of niet. Het idee dat bij veel tweakers lijkt te leven dat een warme chip op de een of andere manier minder zou presteren is simpel weg niet waar. Al is het tegenwoordig wel zo dat de turbo niet gebruikt zal worden want al te warm maar als de chip 60 graden is en er dus nog voldoende ruimte is om wat warmer te worden zal die turbo dus ook gewoon aangezet worden als dat nodig is.
Met andere worden kamertemperatuur is dus nergens voor nodig.

[Durandal]

Weet ik, en dat is dus ook niet wat ik vroeg. Ik vroeg of het toekomstig IC op kamertemperatuur gehouden moest worden omdat hij anders zou breken.

[haarbal]

Misschien kan je met licht veel kleuren over dezelfde lijn jagen, dan heb je minder oppervlakte voor de communicatie nodig, of misschien is het zuiniger op bepaalde afstanden.

[Wildfire]

Zal ook minder interferentie zijn, een elektrisch signaal in een chip is makkelijker te verstoren dan een optisch signaal.

[Egocentrix]

Wat je zegt klopt helemaal, optische on-chip communicatie is het uiteindelijke doel van dit alles. Maar verkijk je er niet op, dit is ontzettend belangrijk: waar er nu verschillende banen op een chip geprint moeten worden, kan dat in de toekomst misschien met één waveguide. Dit gebruikt minder ruimte, heeft een hogere bandbreedte en verbruikt minder energie omdat er geen elektrische weerstand is. De overstap op een andere technologie is zo langzamerhand nodig, omdat we tegen de limiet aan zitten voor de featuresize (nu 14nm geloof ik) van de chips. Oftewel, het kan hiermee allemaal weer sneller en zuiniger .

[Sissors]

Dit zou enkel voor grote afstanden zijn, en heeft dus weinig te maken met de featuresize: Dat moet alsnog gewoon elektrisch gebeuren.

De featuresize voor optische zaken is namelijk veel groter: Zowel een optische waveguide als optische transistoren zitten allemaal vast aan de golflengte van licht, en dat is in de honderden nanometers.

[SadisticPanda]

Kleine nuance. Imec is een Belgisch centrum dat in verschillende landen actief is. Nu lijkt het of een klein takje van iets groot toevallig in België actief is.
Dit is toch iets waar de Belgen trots op mogen zijn. (Al zeker opdat het dankzij de overheid is, dat het bestaat.)

Had het een nederlands centrum geweest, had het wel in grootst in titel gestaan.

[xavalon]

Imec heeft ook een Nederlands kantoor waar onderzoek plaats vindt (Imec-NL.nl). Op hightech campus in Eindhoven. Daar delen ze ruimte met TNO en doen ze ook gezamenlijk onderzoek.

[SkyCloud]

Inderdaad, de regel: Onderzoekers van het imec, een internationaal onderzoekscentrum dat onder meer in het Belgische Leuven actief is...

Zou moeten zijn: Onderzoekers van het IMEC, een Belgisch onderzoekscentrum dat in Leuven actief is en verschillende centra heeft in het buitenland...

OT:
Wel knap dat dit mogelijk is en zo optische processoren weer een stapje dichterbij brengt. Benieuwd wat de toekomst gaat brengen als deze methode verder wordt ontwikkeld (waarschijnlijk door grotere instanties uit het buitenland).

[thibaultvdb]

Onder ondernemers heb ik al vaker "International Money Evaporation Centre" horen vallen. Dat het dankzij de overheid is zal daar wel voor iets tussen zitten.

[Yamotek]

Dit is veelbelovend als het echt eenmaal te intergreren is op chips!

Dan gaan alle geheugen timings weg en valt er een gigantische bottleneck weg, vooral servers gaan hier profijt van hebben. Op desktop gebruik zie ik de voordelen 1, 2, 3 niet zo snel in, GDDR5 geheugen gaat al weg voor HBM en theoretisch zou een videochip dan ook op het moederbord geplaatst kunnen worden (enige wat overblijft zijn VRMs en PCI-e in en videochip uitgangen). Waardoor er met optische chips meer bandbreedte op de PCI-lanes ook niet meer nodig zijn.

En tot op heden lijkt DDR3 geheugen nog niet echt een bottleneck te zijn in alledaagse applicaties (waaronder ook gaming).

[GeoBeo]

Het zal ook een enorme invloed hebben op kosten van productie, maar ook ontwerp van elektronica op chip-niveau en op PCB niveau.

Alle digitale communicatie die nu via meerdere banen verloopt kan straks via 1 optisch lijntje lopen. De koperbanen op PCBs zijn bij hoge snelheden heel erg moelijk te ontwerpen: je hebt last van radio-storing, storing tussen onderlinge koperbanen, impedanties van koperbanen gematched aan zender en ontvanger, lengtes van koperbanen die bij snelle signalen hetzelfde moeten zijn, enz enz. Resultaat is dat er enorm veel tijd in hardware ontwerp, testen en fabricage gaat zitten. Moederbord PCB's bestaan vaak uit (veel) meer dan 8 lagen, wat relatief duur is voor ontwerp (veel man-uren, omdat dit handwerk is!), productie en tests. Bij ontwerp en productie van chips zelf gelden ook dit soort natuurkundige limitaties van elektrische geleiders (maar dan spelen andere krachten, omdat je op een kleiner niveau werkt).

Wanneer dit allemaal optisch wordt zal hardware veel betrouwbaarder, zuiniger, kleiner, lichter, sneller, maar vooral: goedkoper worden. En: degelijker; je kunt straks moeilijk nog chips per ongeluk stuk maken door kortsluiting te maken, verkeerde spanningen op signaal-pinnen te zetten of: statische ontlading!

Als dit er echt komt en ook op PCB-niveau goed werkt dan is het wel echt een grote revolutie. En dit gaat echt wel wat verder dan wat snelheidsvoordelen voor servers. Dit zal ook invloed hebben op ALLE andere elektronica waar digitale signalen in verwerkt worden: smartphones, laptops, tablets, auto's, vliegtuigen, ruimtevaart (minder last van kosmische straling!!), militaire elektronica, beeldschermen, telecom systemen, ga zo maar door...

[Reactie gewijzigd door GeoBeo op 22 juli 2024 18:41]

[Durandal]

Hoe ga je licht over een PCB sturen?

[guzzo]

Bijvoorbeeld in een plastic optische waveguide (soort glasfiber maar dan andere vorm en materiaal) welke in/op het pcb is geïntegreerd.

Deze waveguides hebben veel meer verliezen per cm dan een glasfiber, maar door de relatief korte afstand op 1 pcb is dat niet zo'n groot probleem.

[Sissors]

Dan gaan alle geheugen timings weg

Waarom zou dat? Optische communicatie, zowel tussen chips als bijvoorbeeld voor lange-afstands klok distributie op een chip, kan zeker flinke voordelen brengen, maar ik zie niet waarom geheugen timings weg zouden gaan. Je adres moet nog steeds gedecodeerd worden. Je RAM cellen moeten nog steeds worden uitgelezen, en die moeten vervolgens nog steeds naar de interface worden gestuurd.

Soms wordt ook gedacht dat het grote voordeel is dat het met de snelheid van licht gaat: In een normale fiber zit je echter meer op zo'n 70% van de lichtsnelheid. Dit is ruwweg hetzelfde als wat elektriciteit door je koperdraadje gaat.

[mohf]

Mooie ontwikkeling. Als ik het goed begrijp gaat dit het makkelijker & goedkoper maken om galvanische scheiding te integreren in chips. Dit zorgt ervoor dat deze beveiliging geïntegreerd kan worden in dezelfde die zonder dat je een aparte chip nodig hebt voor galvanische scheiding.

[--Jeroen]

Galvanische scheiding is inderdaad één van de eerste dingen waar ik zelf aan dacht. Ook zijn galvanische scheidingen voor data met een wat hogere bandbreedte relatief prijzig. Verder heeft communicatie met licht ipv electrische signalen een groot voordeel als het gaat om emc storingen. Als deze scheiding op de chip geintegreerd kan worden zie ik daar een voordeel in als het gaat om kosten en ontwerpgemak.

Ben wel erg benieuwd of dit in de loop der tijd zich gaat verplaatsen naar de printplaat fabrikanten . Zodat je uiteindelijk een printplaat kan maken met een combinatie van koper en lichtsporen.

[Sjaaksken]

Even ter verduidelijking: Imec werd opgericht in 1982 door de Vlaamse overheid en werkt nauw samen met de KULeuven. Het instituur verricht onderzoek naar nanotechnologie, chiptechnologie en chip-productie processen. Ze maken vooral de blauwdrukken voor de chips 'van de toekomst' en maken op zich zelf geen eindproducten. Echter het onderzoek dat door IMEC gevoerd wordt, wordt opgepikt door fabrikanten als Intel, IBM, ... Het academisch kapitaal op de afdelingen en in de IMEC Academy is enorm. Het zou leuk zijn moest Tweakers eens een stuk over IMEC doen, volgens mij zeker de moeite waard.

[Frozen]

Typo, eerste zin? Imtec

De link gaat naar: http://www2.imec.be/be_en...ium-phosphide-lasers.html

Dus nee, geen Imtec!

[Reactie gewijzigd door Frozen op 22 juli 2024 18:41]