Однако это сокращение также означало упаковывать проводку в микропроцессорах еще более плотно вместе, приводя к эффектам, таким как утечка сигнала между компонентами, которые могут замедлить связь между различными частями чипа. Эта задержка, известная как «взаимосвязанное узкое место», становится увеличивающейся проблемой в быстродействующих вычислительных системах.Один способ заняться взаимосвязанным узким местом состоит в том, чтобы использовать свет, а не телеграфирует, чтобы общаться между различными частями чипа. Это не легкая задача, однако, поскольку кремний, материал, используемый, чтобы построить жареный картофель, не излучает свет легко, по словам Пабло Харильо-Херреро, адъюнкт-профессора физики в MIT.
Теперь, в работе, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology, исследователи описывают легкого эмитента и датчик, который может быть интегрирован в кремниевые микросхемы КМОП. Первый автор газеты – MIT postdoc Я-Цин Бе, к которому присоединяются Харильо-Херреро и междисциплинарная команда включая Дирка Энгланда, адъюнкт-профессора электротехники и информатики в MIT.Устройство построено из полупроводникового материала, названного молибденом ditelluride. Этот ультратонкий полупроводник принадлежит появляющейся группе материалов, известных как двумерный металл перехода dichalcogenides.
В отличие от обычных полупроводников, материал может быть сложен сверху кремниевых вафель, говорит Харильо-Херреро.«Исследователи пытались найти материалы, которые совместимы с кремнием, чтобы принести оптоэлектронику и оптическую коммуникацию на чипе, но до сих пор это оказалось очень трудным», говорит Харильо-Херреро. «Например, арсенид галлия очень хорош для оптики, но это не может быть выращено на кремнии очень легко, потому что эти два полупроводника несовместимы».
Напротив, 2-й молибден ditelluride может механически быть присоединен к любому материалу, говорит Харильо-Херреро.Другая трудность с интеграцией других полупроводников с кремнием состоит в том, что материалы, как правило, излучают свет в видимом диапазоне, но свет в этих длинах волны просто поглощен кремнием.Молибден ditelluride излучает свет в инфракрасном диапазоне, который не поглощен кремнием, означая, что это может использоваться для коммуникации на чипе.
Чтобы использовать материал в качестве легкого эмитента, исследователи сначала должны были преобразовать его в диод соединения P-N, устройство, в котором положительно обвинена одна сторона, сторона P, в то время как другой, N сторона, отрицательно заряжен.В обычных полупроводниках это, как правило, делается, вводя химические примеси в материал. С новым классом 2-х материалов, однако, это может быть сделано, просто применив напряжение через металлические электроды ворот, помещенные бок о бок сверху материала.
«Это – значительный прорыв, потому что это означает, что мы не должны вводить химические примеси в материал [чтобы создать диод]. Мы можем сделать это электрически», говорит Харильо-Херреро.
Как только диод произведен, исследователи управляют током через устройство, заставляя его излучать свет.«Таким образом при помощи диодов, сделанных из молибдена ditelluride, мы в состоянии изготовить светодиоды (светодиоды), совместимые с кремниевыми чипами», говорит Харильо-Херреро.
Устройство может также быть переключено, чтобы действовать в качестве фотодатчика, полностью изменяя полярность напряжения относился к устройству. Это заставляет его прекращать проводить электричество, пока свет не сияет на нем, когда ток перезапускает.Таким образом устройства в состоянии и передать и получить оптические сигналы.Устройство – доказательство понятия, и большая работа все еще должна быть сделана, прежде чем технология может быть разработана в коммерческий продукт, говорит Харильо-Херреро.
Исследователи теперь исследуют другие материалы, которые могли использоваться для оптической коммуникации на чипе.Большинство телекоммуникационных систем, например, управляет светом использования с длиной волны 1.3 или 1,5 микрометров, говорит Харильо-Херреро.
Однако молибден ditelluride излучает свет на уровне 1,1 микрометров. Это делает его подходящим для использования в кремниевых чипах найденный в компьютерах, но неподходящий для телекоммуникационных систем.
«Было бы очень желательно, если мы могли бы развивать подобный материал, который мог бы испустить и обнаружить свет на уровне 1.3 или 1,5 микрометров в длине волны, где телекоммуникация через оптоволокно работает», говорит он.С этой целью исследователи исследуют другой ультратонкий материал, названный черным фосфором, который может быть настроен, чтобы излучать свет в различных длинах волны, изменив количество используемых слоев.
Они надеются разработать устройства с необходимым количеством слоев, чтобы позволить им излучать свет в двух длинах волны, оставаясь совместимыми с кремнием.«Надежда состоит в том, что, если мы в состоянии общаться на чипе через оптические сигналы вместо электронных сигналов, мы будем в состоянии сделать так более быстро, и потребляя меньше энергии», говорит Харильо-Херреро.