フォトニックチップ設計の再考によりデータセンターのエネルギー使用量を削減できる可能性がある

May 25, 2023

光集積回路 (PIC) は、電子ではなく光粒子を使用してデータの生成、転送、処理を可能にするデバイスです。 PIC は代替コンピューティングでの使用がまだ実験段階にありますが、長い間電気通信のバックボーンとして機能し、今日の高速光ファイバー回線の機能を可能にしています。

従来の半導体製造方法のおかげで、シリコンはこの種のチップの開発における主要なプラットフォームとなり、エンジニアは既存のエレクトロニクス製造施設を使用してチップを設計および量産できるようになりました。

PIC は電子通信方式と比べてはるかに効率が高く、大幅に高い帯域幅を提供しますが、シリコン フォトニック チップはデータ転送性能を高く保つために温度調整に多くのエネルギーを必要とするため、まだ改善の余地があります。

この記事では、データセンターでの電気エネルギーの消費量を削減することを目的とした、オレゴン州立大学とベイラー大学のエンジニアと科学者による共同研究努力から生まれた、フォトニック集積回路の効率における画期的な進歩について説明します。

同じ光媒体を介して複数の光周波数を伝送し、単一の光ファイバーを使用して異なる信号を同時に送信できるようにするために、技術者は、技術のデータ チャネル容量を増加できる波長分割多重 (WDM) と呼ばれる方法を考案しました。非常に高速な転送速度を妨げることはありません。

フォトニック集積回路では、WDM の実行に使用される構造はシリコン マイクロリング共振器 (Si-MRR) と呼ばれ、単一共振器の光路長が長くなるたびに共振が発生するようにループバックすることで光導波路として機能します。正確に整数の波長を測定します。

シリコンを使用してこのタイプのリング共振器を製造することにより、WDM を非常に小規模で、超低エネルギー消費システムの一部として実行できます。 しかし、Si-MRR 技術における大きな課題の 1 つは、温度変動や製造プロセスの変動による共振波長の感度です。

これまで、これらのデバイスは、大量の電気エネルギーを必要とするPINダイオードとサーマルヒーターを使用したフリーキャリア注入によって正確な波長制御を行ってきました。

今回、オレゴン州とベイラーの研究者らは、この温度制御エネルギー要件を 100 万分の 1 以上という驚くべき係数で削減する新しい方法を発表しました。

3月に遡ると、ベイラー大学のアラン・ワン教授が率いるチームは、高効率フォトニック集積回路の開発のためのゲート駆動Si-MRRの実験の結果を発表した。

この技術の温度課題に対処するために、Wang 教授のチームは、酸化インジウムスズ (ITiO)、酸化ハフニウム(IV) (HfO2) およびシリコンを含む 4 つの Si-MMR のアレイを使用する、特殊なタイプの独立して調整可能なオンチップ WDM フィルターを開発しました。製造された金属酸化膜半導体（MOS）コンデンサ。

この研究で使用される MOS 化合物は、高移動度透明導電性酸化物 (TCO) として知られているもので、PN 接合とは対照的に、はるかに大きな電気光学効率を示します。 これは、TCO 材料を使用することで、低いゲート電圧と無視できる消費電力によって大きな波長調整範囲を達成できるため、この画期的な省エネ特性を効果的に生み出すものです。

オレゴン州立工科大学のジョン・コンリー教授によると、原子層堆積と電子デバイスに関する彼の知識と、フォトニクスに関するワン教授の専門知識のおかげで、彼らのチームは、ゲート電圧によって温度が制御される実用的なプロトタイプPICを製造することができたという。電流をほとんど使用しません。

Conley 教授と Wang 教授の研究には、オレゴン州立大学大学院生の Wei-Che Hsu、Ben Kupp、Nabila Nujhat も参加しており、インテル、NASA、国立科学財団の支援を受けています。

光ファイバーとフォトニック回路は、データセンターで高速かつ信頼性の高い物理的相互接続を確立するために重要であるため、オレゴン州立大学とベイラー大学のエンジニアが行った研究は、現在および近い将来の業界に重大な影響を与える可能性があります。 、非常に需要が高いです。

データセンターには、Google、Meta、Microsoft を含む多くの企業の重要なコンピューターとネットワーク インフラストラクチャが収容されており、常時稼働する必要があり、エネルギー省によると、米国の全電力エネルギー使用量の約 2% を占めています。

まだ実験的ではありますが、Wang 教授と Conley 教授が発表した PIC 研究は、これらのエネルギー要件を最小限に抑える上で重要な役割を果たし、エンジニアが電気代や環境への影響を心配することなく、より高速で強力なツールを作成できるようになります。