[ad_1]
Центры обработки данных — выделенные пространства для хранения, обработки и распространения данных — обеспечивают все возможности — от облачных вычислений до потокового видео. При этом они потребляют большое количество энергии, передавая данные туда и обратно внутри центра. Поскольку спрос на данные растет в геометрической прогрессии, центры обработки данных нуждаются в повышении энергоэффективности.
В центрах обработки данных размещаются серверы, мощные компьютеры, которые взаимодействуют друг с другом через интерконнекты, которые представляют собой физические соединения, позволяющие обмениваться данными. Одним из способов снижения энергопотребления в центрах обработки данных является использование света для передачи информации с помощью оптических переключателей с электрическим управлением, контролирующих поток света и, следовательно, информацию между серверами. Эти оптические коммутаторы должны быть многофункциональными и энергоэффективными, чтобы поддерживать постоянное расширение центров обработки данных.
В статье, опубликованной в Интернете 4 июля в Природа Нанотехнологиигруппа под руководством ученых из Вашингтонского университета сообщила о разработке энергосберегающего энергонезависимого переключателя на основе кремния, который манипулирует светом за счет использования материала с фазовым переходом и графенового нагревателя.
«Эта платформа действительно раздвигает границы энергоэффективности», — сказал соавтор Арка Маджумдар, доцент кафедры физики, электротехники и вычислительной техники Университета Вашингтона, а также преподаватель Института наноинженерных систем и Университета Вашингтона. Институт молекулярных и инженерных наук. «По сравнению с тем, что в настоящее время используется в центрах обработки данных для управления фотонными цепями, эта технология значительно сократит потребности центров обработки данных в энергии, сделав их более устойчивыми и экологически чистыми».
Кремниевые фотонные переключатели широко используются отчасти потому, что они могут быть изготовлены с использованием хорошо зарекомендовавших себя технологий изготовления полупроводников. Традиционно эти переключатели настраивались с помощью теплового эффекта, процесса, при котором применяется тепло — часто при пропускании тока через металл или полупроводник — для изменения оптических свойств материала переключателя и, таким образом, изменения пути света. Однако этот процесс не только не является энергоэффективным, но и вызываемые им изменения не являются постоянными. Как только ток отключается, материал возвращается в свое прежнее состояние, и связь — и поток информации — прерывается.
Чтобы решить эту проблему, команда, в которую входят исследователи из Стэнфордского университета, лаборатории Чарльза Старка Дрейпера, Университета Мэриленда и Массачусетского технологического института, создала переключатель «установил и забыл», способный поддерживать соединение без дополнительной энергии. Они использовали нелетучий материал с фазовым переходом, что означает, что материал трансформируется при кратковременном нагревании и остается в этом состоянии до тех пор, пока не получит еще один тепловой импульс, после чего возвращается в исходное состояние. Это избавляет от необходимости постоянно вводить энергию для поддержания желаемого состояния.
Ранее исследователи использовали легированный кремний для нагрева материала с фазовым переходом. Сам по себе кремний не проводит электричество, но при селективном легировании различными элементами, такими как фосфор или бор, кремний способен как проводить электричество, так и распространять свет без какого-либо избыточного поглощения. Когда ток пропускается через легированный кремний, он может действовать как нагреватель, переключая состояние материала с фазовым переходом поверх него. Загвоздка в том, что это тоже не очень энергоэффективный процесс. Количество энергии, необходимое для переключения материала с фазовым переходом, аналогично количеству энергии, используемому традиционными термооптическими переключателями. Это связано с тем, что весь слой легированного кремния толщиной 220 нанометров (нм) должен быть нагрет, чтобы преобразовать только 10 нм материала с фазовым переходом. Много энергии тратится на нагрев такого большого объема кремния для переключения гораздо меньшего объема материала с фазовым переходом.
«Мы поняли, что нам нужно выяснить, как уменьшить объем, который необходимо нагревать, чтобы повысить эффективность переключателей», — сказал ведущий автор и соавтор Чжуоран (Роджер) Фан, докторант UW в области электротехники и компьютеров. инженерия.
Одним из подходов было бы создание более тонкой кремниевой пленки, но кремний плохо распространяет свет, если он тоньше 200 нм. Поэтому вместо этого они использовали слой нелегированного кремния толщиной 220 нм для распространения света и ввели слой графена между кремнием и материалом с фазовым переходом для проведения электричества. Как и металл, графен — отличный проводник электричества, но в отличие от металла он атомарно тонкий — он состоит всего из одного слоя атомов углерода, расположенных в двумерной сотовой решетке. Эта конструкция устраняет потерю энергии, направляя все тепло, выделяемое графеном, на изменение материала с фазовым переходом. Фактически, плотность энергии переключения этой установки, рассчитанная делением энергии переключения на объем переключаемого материала, составляет всего 8,7 аттоджоулей (аДж)/нм.3, 70-кратное снижение по сравнению с широко используемыми нагревателями из легированного кремния. Это также находится в пределах одного порядка от фундаментального предела плотности энергии переключения (1,2 аДж/нм3).
Несмотря на то, что использование графена для проведения электричества вызывает некоторые оптические потери, то есть часть света поглощается, графен настолько тонкий, что не только потери минимальны, но и материал с фазовым переходом все еще может взаимодействовать со светом, распространяющимся в слое кремния. Команда установила, что нагреватель на основе графена может надежно переключать состояние материала с фазовым переходом более 1000 циклов. Это заметное улучшение по сравнению с нагревателями из легированного кремния, срок службы которых составляет около 500 циклов.
«Даже 1000 недостаточно», — сказал Маджумдар. «Практически говоря, нам нужна выносливость около миллиарда циклов, над чем мы сейчас работаем».
Теперь, когда они продемонстрировали, что светом можно управлять с помощью материала с фазовым переходом и графенового нагревателя, команда планирует показать, что эти переключатели можно использовать для оптической маршрутизации информации через сеть устройств, что является ключевым шагом на пути к их использованию в центры обработки данных. Они также заинтересованы в применении этой технологии к нитриду кремния для маршрутизации одиночных фотонов для квантовых вычислений.
«Возможность настраивать оптические свойства материала с помощью атомарно тонкого нагревателя меняет правила игры», — сказал Маджумдар. «Исключительная производительность нашей системы с точки зрения энергоэффективности и надежности действительно беспрецедентна и может способствовать развитию как информационных технологий, так и квантовых вычислений».
Среди дополнительных соавторов студенты Университета Вашингтона, изучающие электротехнику и вычислительную технику, Руи Чен, Цзяцзю Чжэн и Абхи Саксена; Асир Интисар Хан, Кэтрин Нилсон, Мишель Чен и Эрик Поп из Стэнфордского университета; Сара Гейгер, Деннис Каллахан и Майкл Мебиус из лаборатории Чарльза Старка Дрейпера; Карлос Риос из Мэрилендского университета; и Джуеджун Ху из Массачусетского технологического института. Это исследование финансировалось Национальным научным фондом, DARPA, ONR, Draper Labs и Intel Labs.
[ad_2]
Source