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IBM usa avalanche de luz para trocar dados entre chips

IBM usa avalanche de luz para trocar dados entre chips
O dispositivo, chamado de célula nanofotônica de avalanche, é o mais rápido de seu tipo e poderá viabilizar avanços em computação que resultarão tanto em maior velocidade dos computadores quanto em um uso mais eficiente da energia. [Imagem: Assefa et al./Nature]

Cientistas ligados à IBM anunciaram mais um passo significativo no sentido de substituir os sinais elétricos que trafegam através de fios de cobre entre os chips de computador, por circuitos de silício que se comunicam usando pulsos de luz.

Já foram diversos os avanços rumo à troca de informações por luz dentro dos chips. Esta novidade, que acaba de ser publicada na revista Nature, diz respeito à forma como as informações são trocadas entre os diversos chips - entre o processador e a memória, por exemplo.

Célula nanofotônica de avalanche

O dispositivo, chamado de célula nanofotônica de avalanche, é o mais rápido de seu tipo e poderá viabilizar avanços em computação que resultarão tanto em maior velocidade dos computadores quanto em um uso mais eficiente da energia.

A célula nanofotônica explora o "efeito avalanche" do germânio, um semicondutor usado na fabricação de processadores de computador.

De forma parecida a uma avalanche de neve em uma encosta íngreme, um pulso de luz inicialmente libera apenas alguns poucos elétrons, que por sua vez liberam outros, e assim por diante, até que o sinal original seja amplificado várias vezes.

Fotodetector de avalanche

Os fotodetectores de avalanche fabricados até agora não eram capazes de detectar sinais ópticos em grande velocidade porque a avalanche se desenvolve muito lentamente.

A célula fotoelétrica de avalanche agora demonstrada pode receber sinais de informação óptica a 40Gbps (bilhões de bits por segundo) e, simultaneamente, amplificá-los por um fator de 10.

Além disso, o dispositivo funciona com uma tensão de alimentação de apenas 1,5V, 20 vezes menor do que os protótipos anteriores.

Como o efeito avalanche ocorre dentro de um espaço de apenas algumas dezenas de nanômetros, ele acontece muito rapidamente. A miniaturização significa também que o ruído da multiplicação é suprimido entre 50% a 70% com relação aos fotodetectores anteriores.

Silício e germânio

"Esta melhoria dramática no desempenho foi resultado da manipulação das propriedades ópticas e elétricas na escala de apenas algumas dezenas de átomos para alcançar um desempenho bem além dos limites que se acreditava existirem," disse o Dr. Solomon Assefa, principal autor da descoberta. "Esses dispositivos minúsculos são capazes de detectar pulsos de luz muito fracos e amplificá-los com largura de banda sem precedentes e adição mínima de ruídos indesejados."

O dispositivo da IBM é feito de silício e germânio, o material já largamente utilizado na produção de microprocessadores. Além disso, ele é feito com processos padronizados utilizados na fabricação de chips. Assim, milhares desses dispositivos podem ser construídos lado a lado com os transistores de silício de alta largura de banda dentro do chip de comunicações ópticas.

Computadores de luz

O fotodetector de efeito avalanche é a mais recente de uma série de realizações rumo ao desenvolvimento de um aparato de ferramentas nanofotônicas, necessárias para construir interconexões por luz dentro do chips e entre os vários chips.

Os progressos começaram em dezembro de 2005, quando os cientistas da IBM demonstraram uma forma de controlar a luz dentro do chip, permitindo a buferização de bytes de informações codificadas em pulsos ópticos.

Em dezembro de 2007, os cientistas da empresa anunciaram o desenvolvimento de um modulador óptico de silício ultra compacto, que converte sinais elétricos em pulsos de luz, um pré-requisito para permitir a troca de informações por luz dentro dos chips.

Em março de 2008, foi a vez de uma minúscula chave nanofotônica capaz de dirigir a troca de informações por luz dentro de chips de múltiplos núcleos, garantindo que as informações ópticas possam ser encaminhadas de forma eficiente.

Exaflop

Depois de vencer a barreira dos petaflops, os engenheiros agora já voltam suas miras para computadores mil vezes mais rápidos, criando uma futura geração de computadores de classe exaflop.

Mas eles sabem que dificilmente atingirão esse nível sem incorporar a fotônica à eletrônica, incluindo os processadores de luz e eventualmente a plasmônica.

Bibliografia:

Reinventing Germanium Avalanche Photodetector for Nanophotonic On-chip Optical Interconnects
Solomon Assefa, Fengnian Xia, Yurii Vlasov
Nature
March 2010
Vol.: 464, 80 (2010)
DOI: 10.1038/nature08813




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