Il y a deux ans et demi, une équipe de chercheurs dirigée par des groupes du MIT, l'Université de Californie à Berkeley, et l'Université de Boston ont annoncé une étape importante :la fabrication d'un microprocesseur fonctionnel, construit en utilisant uniquement des procédés de fabrication existants, qui intégrait des composants électroniques et optiques sur la même puce.

L'approche des chercheurs, cependant, exigeait que les composants électriques de la puce soient construits à partir de la même couche de silicium que ses composants optiques. Cela signifiait s'appuyer sur une technologie de puce plus ancienne dans laquelle les couches de silicium pour l'électronique étaient suffisamment épaisses pour l'optique.

Dans le dernier numéro de La nature , une équipe de 18 chercheurs, dirigé par le même MIT, Berkeley, et groupes BU, rapporte une autre avancée :une technique d'assemblage séparé de l'optique sur puce et de l'électronique, ce qui permet l'utilisation de technologies de transistors plus modernes. De nouveau, la technique ne nécessite que des procédés de fabrication existants.

"Le plus prometteur dans ce travail est que vous pouvez optimiser votre photonique indépendamment de votre électronique, " dit Amir Atabaki, un chercheur au Laboratoire de recherche en électronique du MIT et l'un des trois premiers auteurs du nouvel article. "Nous avons différentes technologies électroniques en silicium, et si nous pouvions simplement leur ajouter de la photonique, ce serait une grande capacité pour les futures communications et puces informatiques. Par exemple, maintenant nous pourrions imaginer un fabricant de microprocesseurs ou un fabricant de GPU comme Intel ou Nvidia disant, 'C'est très gentil. Nous pouvons maintenant avoir une entrée et une sortie photonique pour notre microprocesseur ou GPU.' Et ils n'ont pas besoin de changer grand-chose dans leur processus pour obtenir l'amélioration des performances de l'optique sur puce. »

Appel léger

Passer de la communication électrique à la communication optique est attrayant pour les fabricants de puces car cela pourrait augmenter considérablement la vitesse des puces et réduire la consommation d'énergie, un avantage qui gagnera en importance à mesure que le nombre de transistors des puces continue d'augmenter :la Semiconductor Industry Association a estimé qu'aux taux d'augmentation actuels, les besoins énergétiques des ordinateurs dépasseront la puissance totale mondiale d'ici 2040.

L'intégration de composants optiques - ou "photoniques" - et électroniques sur une même puce réduit encore la consommation électrique. Les dispositifs de communication optique sont sur le marché aujourd'hui, mais ils consomment trop d'énergie et génèrent trop de chaleur pour être intégrés dans une puce électronique telle qu'un microprocesseur. Un modulateur commercial - l'appareil qui code les informations numériques sur un signal lumineux - consomme entre 10 et 100 fois plus d'énergie que les modulateurs intégrés à la nouvelle puce des chercheurs.

Il occupe également 10 à 20 fois plus d'espace sur la puce. C'est parce que l'intégration de l'électronique et de la photonique sur la même puce permet à Atabaki et à ses collègues d'utiliser une conception de modulateur plus économe en espace, basé sur un dispositif photonique appelé résonateur en anneau.

"Nous avons accès à des architectures photoniques que vous ne pouvez normalement pas utiliser sans électronique intégrée, " explique Atabaki. " Par exemple, aujourd'hui, il n'y a pas d'émetteur-récepteur optique commercial qui utilise des résonateurs optiques, parce que vous avez besoin d'une capacité électronique considérable pour contrôler et stabiliser ce résonateur."

Les co-premiers auteurs d'Atabaki sur le La nature papier sont Sajjad Moazeni, un doctorant à Berkeley, et Fabio Pavanello, qui était un post-doctorant à l'Université du Colorado à Boulder, quand le travail a été fait. Les auteurs principaux sont Rajeev Ram, professeur de génie électrique et d'informatique au MIT; Vladimir Stojanovic, professeur agrégé de génie électrique et d'informatique à Berkeley; et Milos Popovic, professeur adjoint de génie électrique et informatique à l'Université de Boston. Ils sont rejoints par 12 autres chercheurs du MIT, Berkeley, Université de Boston, l'Université du Colorado, l'Université d'État de New York à Albany, et Ayar Labs, une startup de photonique intégrée que Ram, Stojanovic, et Popovic a aidé à fonder.

Dimensionnement des cristaux

En plus des millions de transistors pour l'exécution des calculs, la nouvelle puce des chercheurs comprend tous les composants nécessaires à la communication optique :modulateurs; guides d'ondes, qui dirigent la lumière à travers la puce ; résonateurs, qui séparent les différentes longueurs d'onde de la lumière, dont chacun peut transporter des données différentes ; et photodétecteurs, qui traduisent les signaux lumineux entrants en signaux électriques.

Le silicium - qui est la base de la plupart des puces informatiques modernes - doit être fabriqué sur une couche de verre pour produire des composants optiques utiles. La différence entre les indices de réfraction du silicium et du verre - les degrés auxquels les matériaux courbent la lumière - est ce qui confine la lumière aux composants optiques en silicium.

Les travaux antérieurs sur la photonique intégrée, qui était également dirigé par Ram, Stojanovic, et Popovic, impliquait un processus appelé wafer bonding, dans lequel un seul, un grand cristal de silicium est fusionné à une couche de verre déposée sur une puce séparée. Le nouveau travail, en permettant le dépôt direct de silicium - d'épaisseur variable - sur le verre, il faut se contenter de ce qu'on appelle du polysilicium, qui se compose de nombreux petits cristaux de silicium.

Le silicium monocristallin est utile à la fois pour l'optique et l'électronique, mais en polysilicium, il y a un compromis entre l'efficacité optique et électrique. Le polysilicium à gros cristaux est efficace pour conduire l'électricité, mais les gros cristaux ont tendance à disperser la lumière, diminuant l'efficacité optique. Le polysilicium à petits cristaux diffuse moins de lumière, mais ce n'est pas un aussi bon conducteur.

En utilisant les installations de fabrication des collèges de SUNY-Albany pour les sciences et l'ingénierie à l'échelle nanométrique, les chercheurs ont testé une série de recettes de dépôt de polysilicium, varier le type de silicium brut utilisé, températures et temps de traitement, jusqu'à ce qu'ils en trouvent un qui offre un bon compromis entre les propriétés électroniques et optiques.

"Je pense que nous devons avoir parcouru plus de 50 plaquettes de silicium avant de trouver un matériau qui nous convient, " dit Atabaki.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.