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Laser de silício chega para fazer ponte entre eletrônica e fotônica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/04/2020

Laser de silício chega para fazer ponte entre eletrônica e fotônica
Um nanolaser de silício é a peça essencial para permitir que os processadores troquem dados usando luz.
[Imagem: Nando Harmsen/TU/e]

Laser de silício

Ao contrário dos elétrons, os fótons não experimentam resistência. Como eles não têm massa ou carga, eles se espalham menos dentro do material pelo qual viajam e, portanto, virtualmente nenhum calor é produzido.

Para usá-los dentro dos processadores - luz em vez de elétrons - você precisará de uma fonte de luz: um laser que possa ser integrado dentro do chip. E, para criar um laser compatível com o silício dos processadores, estava faltando produzir uma forma de silício que seja capaz de emitir luz de forma eficiente.

Elham Fadaly e um consórcio de universidades e empresas de tecnologia acaba de conseguir esse feito, viabilizando a colocação de nanolaseres de silício dentro dos chips fotônicos - é bom lembrar que os cientistas diziam ser impossível fabricar um laser de silício pouco mais de uma década atrás.

Ao mudar a estrutura atômica de uma liga de silício-germânio (SiGe), da sua forma cúbica tradicional para uma nova forma hexagonal, os pesquisadores conseguiram desenvolver um material para a fabricação de lasers compatíveis com silício capazes de transmitir dados de maneira rápida e eficiente.

"Por décadas, tem sido o santo graal da indústria de semicondutores demonstrar a emissão de luz a partir do silício, mas ninguém conseguiu até agora. A inovação fundamental [neste projeto] é que o SiGe, que hoje é o material dominante da eletrônica, mostrou-se capaz de fornecer emissão de luz muito eficiente quando convertido para uma forma cristalina hexagonal," disse o professor Jos Haverkort, da Universidade de Tecnologia de Eindhoven, nos Países Baixos.

Processadores de luz e muito mais

Integrado a um chip de computador, o silício-germânio hexagonal, ou Hex-SiGe, promete revolucionar a maneira como os núcleos dos processadores são conectados, usando a luz de lasers em escala nanométrica para transmitir dados, em vez da fiação metálica atual, que diminui as taxas de transferência de dados, esquenta muito e diminui a duração da carga das baterias no caso de aparelhos portáteis.

Haverkort ressalta que os circuitos fotônicos baseados em silício podem atingir uma dissipação de energia abaixo de um femtojoule (10-15 joule) por bit de dados transferidos. Isso é pelo menos 100 vezes menos que as conexões convencionais, que podem dissipar até 100 watts de energia como calor em apenas um fio de interconexão de metal de um milímetro de comprimento, uma vez que as taxas de transferência de dados atingem um petabit por segundo (1015 bits/s).

A integração da fotônica Hex-SiGe também vai abrir caminhos para o desenvolvimento de outros dispositivos energeticamente mais eficientes e de baixo custo, como sensores ópticos, sistemas LiDAR (conhecidos como radar de luz), dispositivos de monitoramento de gases, poluição e meio ambiente e sensores biomédicos, como biochips descartáveis para diagnosticar doenças.

Laser de silício chega para fazer ponte entre eletrônica e fotônica
Como é muito difícil fazer o SiGe ficar hexagonal, a equipe usou outro material para criar um núcleo nesse formato, e então o revestiu com o semicondutor emissor de luz.
[Imagem: Elham M. T. Fadaly et al. - 10.1038/s41586-020-2150-y]

Levar para indústria

"Agora que mostramos que o Hex-SiGe tem as propriedades físicas adequadas para emissão eficiente de luz, a demonstração de um caminho escalonável para integrar o Hex-SiGe nos circuitos eletrônicos de silício convencionais ou nos circuitos fotônicos de silício é o próximo grande desafio," disse Haverkort.

Mas a equipe está bem equipada, uma vez que a IBM é parceira do projeto é colocou seus engenheiros para enfrentar o desafio da integração, trabalhando em métodos para introduzir o Hex-SiGe nos processos de fabricação dos chips de silício.

Bibliografia:

Artigo: Direct-bandgap emission from hexagonal Ge and SiGe alloys
Autores: Elham M. T. Fadaly, Alain Dijkstra, Jens Renè Suckert, Dorian Ziss, Marvin A. J. van Tilburg, Chenyang Mao, Yizhen Ren, Victor T. van Lange, Ksenia Korzun, Sebastian Kölling, Marcel A. Verheijen, David Busse, Claudia Rödl, Jürgen Furthmüller, Friedhelm Bechstedt, Julian Stangl, Jonathan J. Finley, Silvana Botti, Jos E. M. Haverkort, Erik P. A. M. Bakkers
Revista: Nature
Vol.: 580, pages 205-209
DOI: 10.1038/s41586-020-2150-y
Link: https://arxiv.org/abs/1911.00726





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