Verdens første integrerede siliciumlaser med hastighed på 50 Gb/s

Selvom der kun er tale om en prototype, er det lykkedes Intel at presse hastigheden op på 50 Gb/s på verdens første integrerede siliciumlaser.

Ifølge Intel er 50 Gb/s kun en begyndelse og firmaet forventer at kunne øge hastigheden til 1 Tb/s. En hastighed, der betyder, at indholdet svarende til verdens største harddisk på 2 TB kan sikkerhedskopieres på blot 16 sekunder. Til sammenligning topper hastigheden for traditionelle kobberforbindelser ved omkring 10 Gb/s, så der er tale om en overførselskapacitet, der er hundrede gange større.

Den optiske forbindelse består, foruden den optiske fiber, af en laser, der sender signalerne samt en fotodetektor, der modtager dem. Den store nyhed er, at det er lykkedes Intel at integrere funktionerne i en enkelt chip.

Snart er det slut med elektrisk kommunikation

Data transmitteres på fire bølgelængder ved hjælp af en multiplekser i laserchippen samt en demultiplekser i fotodetektoren. På hver bølgelængde transmitteres data med 12,5 Gb/s, og indtil videre er det lykkedes Intel at transmittere data i op til 27 timer, uden at der er opstået en eneste transmissionsfejl.

Intel forudser, at integrationen vil betyde, at optisk kommunikation inden for de næste tre til fem år gradvist vil afløse elektrisk kommunikation. I første omgang over afstande på to meter, hvor det kniber med at holde hastigheden på den elektriske kommunikation i vejret, men senere også på kortere afstande.

Intel forestiller sig, at den optiske kommunikation blandt andet kan anvendes i datacentre, hvor man vil kunne isolere processorer og hukommelse i separate enheder. Dette vil dels betyde lavere effektforbrug, da kølingen kan optimeres, men også at hukommelsen kan anvendes mere effektivt, da den kan distribueres mellem flere processorer alt efter behov.

Optik skal ind i bundkort og processorer

Intel har fremstillet laserchippen ved at anvende ganske almindelig silicium, som er forsynet med et laf af indiumfosfat. Denne fosfat genererer lys, når den bombarderes med elektroner. Lyset sendes gennem fire waveguides over den optiske fiber.

På modtagesiden sidder en fotodetektor, der også er fremstillet i silicium med at lag af germanium. Fotodetektoren konverterer de modtagne impulser til elektriske signaler. Af figur 2 kan man se de fire bølgelængder og intensiteten, når de afsendes fra laseren, mens figur 3 viser de tilsvarende intensiteter, når de når frem til fotodetektoren.

»Dette er kun begyndelsen. På længere sigt forventer vi at kunne integrere optiske funktioner direkte ind i både processorer og bundkort,« siger Mario Paniccia, der er chef for Intels Photonics Lab i Santa Clara i Californien, hvor teknologi er udviklet til Ing.dk.

»Ved at anvende silicium kan vi drastisk reducere produktionsomkostningerne, da vi kan anvende de samme værktøjer, som vi anvender til vores mikroprocessorer,« fortsætter Mario Paniccia.

Prisen er hemmelig, men bliver lav

Testchippene er fremstillet primært i Israel i samarbejde med Micro, der har produktionsfaciliteter til dynamisk ram i Israel. Dele af laserchippen er dog produceret i Californien i samarbejde med University of California i Santa Barbara, som også har været med til udviklingen.

Figur 4 viser de to testchip monteret på printkort, og det fremgår her, at Intel anvender billige forbindelser samt velkendt monteringsteknologi til testopstillingen, hvilket betyder, at de færdige produkter også vil blive meget billigere end hidtil kendt teknologi.

Intel ønsker dog indtil videre ikke at udtale sig om prissætning. En ting er dog sikkert: hvis Intel kan masseproducerede wafere med siliciumchip, kan de formodentlig få priserne reduceret med over 95 procent i forhold til dagens optiske teknologier.

Intels næste skridt bliver at forberede resultatet af forskningen, således at der kan komme produkter ud af det.

50-året for første laser-demo

Gennembruddet kommer præcis 50 år efter, at den første laser blev demonstreret og 51 år efter at Jack Kilby fra Texas Instruments og Robert Noyce, der var med til at grundlægge Intel, fremstillede verdens første integrerede kredsløb, der bestod af to transistorer. Nutidens chip indeholder op til 2 mia. transistorer.

Mario Paniccia påpeger, at de første integrerede testchip hverken er optimeret for lavt effektforbrug eller maksimal ydeevne. For at nå op på hastigheden på 1 Tb/s, forestiller Intel sig, at hver waveguide vil kunne transmittere med en hastighed på 50 Gb/s, samtidig med at antallet af waveguides kan øges til 25.

Intel har allerede demonstreret, at de fleste funktioner fungerer fint ved en hastighed på 50 Gb/s, men mangler endnu at fuldende integrationen ved den højere hastighed.

Fremtidens videostandarder vil også kunne drage fordel af optiske forbindelser. Mens nutidens HDTV med en 1080p-opløsning kan nøjes med en båndbredde på en til to Gb/s, vil fremtidens standarder med en opløsning på 4320p, en farvedybde på 30 bit samt 60 billeder i sekundet kræve 60 Gb/s, hvilket er mere, end kobberforbindelser kan overkomme.