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Un nuovo modo di integrare strutture ottiche sui tradizionali processori potrebbe rendere la comunicazione tra i vari chip molto più veloce aumentando la potenza di elaborazione e riducendo le perdite energetiche. “Quello di cui stiamo parlando è l’integrazione di circuiti ottici con il materiale semiconduttore con cui è realizzato attualmente il chip”, afferma Milos Popovic, professore di ingegneria elettrica e informatica presso la Boston University. “Il metodo prevede di aggiungere pochi passaggi all’attuale processo standard con cui viene trattato il silicio e non dovrebbe comportare un significativo aumento di costi o tempi al processo di produzione”, aggiunge Popovic.
Lui, insieme ai colleghi del Massachusetts Institute of Technology, dell’Università della California (Berkeley), dell’Università del Coloardo (Boulder) e del SUNY Polytechnic Institute di Albany, NY, ha descritto il metodo in un recente articolo su Nature.
Il loro approccio prevede l’aggiunta di un sottile strato di silicio policristallino sulla struttura già esistente del chip, materiale simile a quello del dielettrico di gate, ma in una forma che assorbe troppa luce per essere utile come una guida d’onda.
Per rendere questo materiale più adatto ai requisiti della fotonica, i ricercatori hanno ottimizzato il processo di deposizione, alterando fattori come la temperatura, per ottenere una diversa struttura cristallina. Hanno anche utilizzato degli strati isolanti con biossido di silicio, già utilizzato per isolare elettricamente i transistor l’uno dall’altro ma con tracce più profonde, per impedire alla luce di passare dal silicio policristallino al substrato di silicio.
Con questo approccio i ricercatori hanno costruito chip con tutti i componenti fotonici necessari: guide d’onda, risuonatori ad anello, accoppiatori verticali, modulatori ad alta velocità e fotorivelatori a valanga, oltre a transistor con tecnologia 65 nm. Il chip, che necessita di una sorgente laser esterna, è realizzato con la tecnologia a 65 nm perché è quella disponibile presso i laboratori di SUNY Albany, ma secondo Popovic lo stesso processo può essere applicato anche ai transistor realizzati con dimensioni inferiori.
In passato, alcuni degli stessi ricercatori avevano già integrato dei sistemi fotonici sui tradizionali chip in silicio ma con processi molto più costosi; in questo caso viene utilizzata la stessa tecnologia CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) impiegata per realizzare i moderni circuiti integrati.
I collegamenti di tipo ottico sono sempre più necessari dal momento che la maggior parte dei processori utilizza sistemi multicore: le unità di elaborazione grafica utilizzate per i giochi e per i sistemi di intelligenza artificiale possono contenere centinaia di core. I fili di rame che trasportano i dati tra i core sono il principale collo di bottiglia per la velocità, oltre a produrre un sacco di calore residuo.
“Un singolo conduttore può trasportare solo da 10 a 100 gigabit al secondo” afferma Popovic. “Al contrario, l’invio dei segnali mediante supporto ottico potrebbe consentire a una singola fibra ottica di trasportare da 10 a 20 terabit al secondo. E alle attuali distanze tra i core, le perdite ottiche sono praticamente pari a zero, con un significativo risparmio energetico rispetto al rame”.
Questo nuovo processo potrebbe portare a chip con una maggiore potenza di elaborazione, con enormi vantaggi nel campo dell’intelligenza artificiale e del riconoscimento di pattern. Ciò consentirebbe anche agli smartphone più economici di implementare il riconoscimento facciale, afferma Popovic, oltre a creare sensori LIDAR a basso costo per le auto a guida autonoma del futuro.
