Экспансия закона Мура
Когда заходит речь о полупроводниковых технологиях и современных интегральных микросхемах, часто упоминают закон Мура, который в настоящее время является своеобразным хронометром полупроводниковой технологии. В этой статье мы рассмотрим, в чем суть закона Мура, а также поговорим о важных следствиях и приложениях этого гениального предсказания.
се
началось в 1965 году, то есть всего через шесть лет после изобретения первой
интегральной схемы (ИС) и за три года до того, как Гордон Мур (Gordon E. Moore)
стал одним из основателей корпорации Intel. В то далекое время технология производства
интегральных микросхем позволяла интегрировать в одной микросхеме порядка трех
десятков транзисторов, а группа ученых, возглавляемая Гордоном Муром, директором
исследовательской лаборатории полупроводников корпорации Fairchild Camera and
Instrument Corp (Research and Development Laboratories, Fairchild Semiconductor
division of Fairchild Camera and Instrument Corp), завершала разработку новых
микросхем, объединяющих в себе уже 60 транзисторов. Конечно, по сегодняшним
меркам, когда в одной микросхеме насчитывается несколько десятков миллионов
транзисторов, 60 транзисторов кажется ничтожно малой величиной, но не будем
забывать, что речь идет о становлении интегральной электроники.
По просьбе журнала Electronics Гордон Мур написал статью, приуроченную к 35-й годовщине издания (Electronics, Vol. 38, № 8, Apr. 19, 1965). В этой статье Мура попросили сделать прогноз относительно того, как будут совершенствоваться полупроводниковые устройства в течение ближайших десяти лет. Проанализировав темпы развития полупроводниковых устройств и экономические факторы за прошедшие шесть лет, то есть начиная с 1959 года, Гордон Мур предположил, что к 1975 году количество транзисторов в одной интегральной микросхеме составит 65 тыс. Именно этот прогноз на ближайшие десять лет стал преамбулой ко всей статье.
Фактически по прогнозу Мура количество транзисторов в одной микросхеме за десять лет должно было увеличиться более чем в 1000 раз. А это означало, что каждый год количество транзисторов в одной микросхеме должно удваиваться.
Кроме предсказания экспоненциального роста плотности размещения транзисторов,
Мур сделал и другой важный и на первый взгляд парадоксальный вывод. Сокращение
размеров транзисторов должно неизбежно привести к тому, что интегральные микросхемы
на их основе будут все дешевле, мощнее и доступнее. Из этого следовало, что
изменится электронная отрасль в целом. 
Конечно, в 1965 году ни сам Гордон Мур, ни кто-либо другой не мог предположить, что опубликованный прогноз на ближайшие десять лет не только в точности сбудется, но и послужит основой для формулирования эмпирического правила развития всей полупроводниковой технологии на много лет вперед. Впрочем, с предсказанием Мура было не все гладко. К 1975 году рост количества элементов в одной микросхеме стал немного отставать от прогноза. Тогда Гордон Мур скорректировал период обновления до 24 месяцев, чтобы компенсировать ожидаемое увеличение сложности полупроводниковых компонентов. В конце 1980-х годов одним из руководителей корпорации Intel была внесена еще одна поправка, и прогноз Мура стал означать удвоение вычислительной производительности каждые 18 месяцев (вычислительная производительность, измеряемая в миллионах команд в секунду (MIPS), увеличивается благодаря росту количества транзисторов).
До сих пор мы преднамеренно употребляли слова «прогноз» или «предсказание» Мура, однако в литературе чаще встречается выражение «закон Мура». Дело в том, что после опубликования упомянутой статьи в журнале Electronics профессор Карвер Мид, коллега Мура из Калифорнийского технологического института, дал этому прогнозу название «закон Мура», и оно прижилось.
Конечно, в буквальном смысле предсказание Мура законом не является хотя бы потому, что оно не отражает природных закономерностей и не является следствием фундаментальных законов физики. Фундаментальные законы природы, такие как закон гравитации, который выражается формулой Ньютона, или законы электромагнитного поля, описываемые уравнениями Максвелла, объективны по своей природе и существуют независимо от наших знаний о них. Поэтому, говоря о законе Мура, следует еще раз подчеркнуть, что речь идет лишь об эмпирическом правиле или предсказании.
В настоящее время термин «закон Мура» применяется также для описания следствий экспоненциального возрастания плотности размещения транзисторов в пределах одной микросхемы. О каких же следствиях закона Мура идет речь?
Следствия закона Мура
отя
в законе Мура говорится лишь об экспоненциальном возрастании числа транзисторов
на одной микросхеме, сводить все к одному этому утверждению было бы неверно.
Точнее, сам факт увеличения плотности размещения транзисторов за счет сокращения
их размеров сопровождается важными последствиями. Действительно, если говорить
просто о количестве транзисторов в одной микросхеме, то со времени 30-транзисторных
компонентов 1965 года это количество возросло на много порядков. В 1975 году
количество компонентов достигло 65 тыс. К 1989 году процессор Intel i486 содержал
1,4 млн. транзисторов. А в 2002 году корпорация Intel анонсировала процессор
Intel Pentium 4 на основе 0,13-микронной технологии, вмещающий 55 млн. транзисторов
в одном кристалле. Скоро технология производства интегральных микросхем позволит
увеличивать количество транзисторов на сотни миллионов ежегодно.
Однако сколь впечатляющим ни был бы рост количества элементов — это только частность. Мощь и уникальность полупроводниковых компонентов состоит в том, что одновременно с увеличением количества транзисторов улучшаются почти все параметры микропроцессорной технологии, главные из которых — скорость и производительность. Так, процессор i486 работал на тактовой частоте 25 МГц. Современные процессоры Pentium 4 имеют тактовые частоты уже более 3 ГГц. Будущий процессор с миллиардом транзисторов, как ожидается, будет работать на частоте, приближающейся к 20 ГГц.
Посмотрим на этот вопрос с другой стороны: в начале 1990-х годов для того, чтобы увеличить тактовую частоту i486 с 25 МГц до 50 МГц, понадобилось три года. Сегодня разработчики Intel наращивают тактовую частоту со скоростью 25 МГц в неделю. Главный директор Intel по технологиям Патрик Гелсингер заявил, что уже через несколько лет Intel планирует наращивать частоту процессоров со скоростью 25 МГц в день. Среди других характеристик, которые улучшаются благодаря закону Мура, — уровень интеграции, размеры, функциональные возможности, эффективность энергопотребления и надежность.
Еще одним немаловажным следствием закона Мура являются экспоненциальное падение цен в расчете на один транзистор и соответственно непрерывный рост покупательной способности.
Когда Гордон Мур впервые сформулировал свой закон, себестоимость одного транзистора составляла около 5 долл. Сегодня за 1 долл. можно приобрести 1 млн. транзисторов. Тот факт, что это стало возможным, является прямым следствием закона Мура: быстрое снижение себестоимости приводит к экспоненциальному росту экономической эффективности.
 |
|
Заглядывая в будущее
а
Форуме Intel для разработчиков, прошедшем весной прошлого года, главный технический
директор корпорации Intel Гелсингер заявил: «Наша задача состоит сегодня не
только в том, чтобы продлить жизнь закона Мура, но и в том, чтобы максимально
расширить сферу его действия, распространив его и на другие области».
Первоначально прогноз Мура был просто наблюдением за тем, как развивается индустрия микропроцессоров, этаким эмпирическим постулатом. Однако через несколько лет он стал руководящим принципом развития для всей отрасли, а теперь иначе как законом его никто и не называет. Однако, несмотря на то, что закон Мура оправдывает себя вот уже в течение почти что сорока лет, многие довольно скептически относятся к тому, что он будет действовать и в дальнейшем.
С приводимыми ими доводами трудно не согласиться. Действительно, уже сейчас микросхемы производятся по 0,13-микронному технологическому процессу, а толщина затвора транзистора составляет всего 60 нм. Но ведь не может же уменьшение размеров транзисторов происходить до бесконечности, хотя бы в силу дискретности самой природы! Вопрос ставится так: а что будет, когда размеры затворов транзисторов достигнут атомарных слоев? Вопрос, конечно, интересный, но ответить на него в ближайшее десятилетие вряд ли кто-нибудь сможет. Впрочем, до атомарных размеров транзисторов еще далеко. Если же говорить о перспективе дальнейшего совершенствования полупроводниковой электроники в соответствии с законом Мура на ближайшие лет тридцать, то можно утверждать, что предсказанное экспоненциальное возрастание числа транзисторов на одной микросхеме сохранится.
На весеннем Форуме Intel для разработчиков главный технический директор корпорации Intel Патрик Гелсингер поделился своими соображениями в отношении закона Мура: «Честно говоря, я часто спрашивал себя, когда же закончится действие закона Мура? Сколько мы еще сможем пользоваться его плодами? В 1980 году, когда я пришел в Intel, мы ломали головы над тем, как достичь технологической нормы производства микропроцессоров в один микрон. В 90-е годы перед нами уже стояла задача внедрить технологическую норму в одну десятую микрона, и опять она казалась нам недостижимой. А сегодня мы думаем о том, как преодолеть барьер в одну сотую микрона. Могу пообещать вам, что до моей пенсии (то есть в течение последующей четверти века) закон Мура будет действовать. Я уверен, что еще не одно десятилетие он будет руководящим принципом развития отрасли».
Итак, в корпорации Intel считают, что в обозримой перспективе закон Мура продолжит действовать. Впрочем, чтобы сохранить экспоненциальный рост числа транзисторов на одной микросхеме завтра, необходимо уже сегодня задумываться о новых технологиях.
Соблюдение закона Мура и реализация его предсказаний требует снижения проектной нормы — уменьшения номинального размера элементов, из которых состоит интегральная схема. За последнее десятилетие корпорация Intel уменьшила проектную норму на порядок — с одного микрона (примерно одной сотой толщины человеческого волоса) до менее чем 100 нанометров (нм), то есть до уровня, отвечающего нанотехнологиям. В предстоящее десятилетие проектная норма технологических процессов вплотную подойдет к физическим пределам, обусловленным атомной структурой, что приведет к новым проблемам, связанным с энергопотреблением, тепловыделением и поведением атомных частиц. Компания Intel уже продемонстрировала транзисторы, содержащие элементы толщиной всего в три атома.
Чтобы продолжить действие закона Мура, исследователи Intel активно занимаются поиском и устранением различных барьеров, препятствующих дальнейшему уменьшению размеров элементов. Так, если сегодня для нанесения сложнейших рисунков, формирующих электронные схемы на полупроводниковой пластине, используется 130-нм литографическая технология, позволяющая получать транзисторы с длиной затвора 60 нм и шесть слоев медных соединений, то уже в этом году в массовое производство будет внедрен новый 90-нанометровый технологический процесс. Новый технологический процесс, представленный корпорацией Intel в августе минувшего года, предусматривает использование семи слоев медных соединений и включает целый ряд уникальных технологий. Во-первых, в нем применяются самые маленькие в мире серийно производимые КМОП-транзисторы с длиной затвора всего 50 нм. Во-вторых, это самый тонкий оксидный слой затвора среди всех когда-либо применявшихся в производстве — его толщина составляет 1,2 нм (менее пяти атомных слоев).
Несколько позже будет внедрена в массовое производство революционная литографическая технология, находящаяся сегодня на стадии разработки. Известно, что возможности сегодняшней литографии уже практически исчерпали себя. Действительно, литография — это процесс, при котором лазер световым пучком выжигает на пластине проводники для будущего процессора, при этом луч надо очень точно сфокусировать. Проводники в процессорах становятся все тоньше, и, чтобы точно вырезать тонкие проводники, длина волны луча света должна быть в несколько раз меньше ширины проводника. Стало быть, длина волны света постепенно уходит из видимого диапазона и перемещается в диапазон более коротких ультрафиолетовых волн. Новая технология литографии, получившая название ЕUV-литографии (Extreme UltraViolet — сверхжесткое ультрафиолетовое излучение), основана на использовании ультрафиолетового излучения, что позволяет формировать рисунки с толщиной линий менее 50 нм. Здесь главная сложность заключается в том, что ультрафиолетовый свет поглощается стеклом, и никакие линзы и призмы для его точной фокусировки уже не годятся — необходимы совершенно новая техника и технология.
В 2001 году компания Intel представила первые фотомаски стандартного отраслевого формата для EUV-литографии. С помощью разработанного ею процесса формирования рисунка удалось получить линии шириной на 30% меньше, чем для самых совершенных масок, применяемых сегодня в производстве. Корпорация Intel планирует выпустить первые процессоры с использованием EUV-технологии во второй половине нынешнего десятилетия.
Описанные новые технологии относятся к ближайшему будущему, однако уже сейчас разрабатываются технологии, рассчитанные и на более далекую перспективу. Так, в июне 2001 года корпорация Intel объявила, что ее специалисты разработали транзисторы, содержащие структуры размером всего 20 нм. Эти новые транзисторы имеют на 30% меньшие размеры и на 25% большее быстродействие, чем созданные всего годом ранее. К концу того же года Intel преодолела еще один рубеж, изготовив самые маленькие в мире транзисторы с длиной затвора 15 нм. Именно такие крошечные транзисторы потребуются для серийных процессоров к концу текущего десятилетия.
По мере уменьшения размеров транзисторов, увеличения плотности их размещения на подложке и повышения быстродействия компонентов потенциальными ограничительными факторами для реализации закона Мура могут стать энергопотребление и тепловыделение. Чтобы решить проблему тепловыделения, специалисты Intel исследуют как новые структуры, например транзисторы с тремя затворами, так и новые материалы, в частности напряженный кремний, позволяющие увеличить производительность при одновременном повышении эффективности использования энергии. Возможно, лучший пример — это представленный Intel в ноябре 2001 года транзистор с рабочей частотой 1 терагерц.
Этот ключевой проект корпорации направлен на создание микроскопических «переключателей», которые меньше и быстрее существующих. В основе терагерцевого транзистора лежит несколько совершенно новых технологий. Первая — это новый диэлектрический материал с гораздо более высокими изолирующими свойствами (c более высокой диэлектрической проницаемостью); вторая — затворы, с помощью которых снижается ток утечки. Разработанные для этого нового транзистора элементы конструкции планируется использовать в серийной продукции Intel во второй половине текущего десятилетия.
Еще одной перспективной технологией, позволяющей устранить ограничения по росту тактовой частоты современных микросхем, является новая технология изготовления корпусов. В современных микросхемах полупроводниковые кристаллы соединяют с корпусом с помощью крошечных шариков припоя, обеспечивающих механическое крепление и электрическое соединение кристалла с корпусом. В результате экспоненциального роста частоты будущих процессоров эффективность шариковых соединений, толщина корпуса и количество точек соединения превращаются в серьезную проблему. В октябре 2001 года корпорация Intel представила новаторскую технологию изготовления корпусов, получившую название Bumpless Build-up Layer (BBUL), которая позволяет избавиться от шариковых соединений, наращивая корпус вокруг полупроводникового кристалла. Новая технология не только в несколько раз уменьшает размеры «упакованного» микропроцессора, но и существенно улучшает его индуктивные свойства. Этот метод позволяет уменьшить толщину корпуса и снизить рабочее напряжение процессора. Технология начнет активно применяться во второй половине этого десятилетия.
Еще одна серьезная проблема, препятствующая экспоненциальному росту тактовой частоты процессоров и соответственно закону Мура, — это проблема тепловыделения. Ее решению уделяется немало внимания уже сейчас. Действительно, давайте посмотрим, к чему приводит перспектива экспоненциального роста тактовой частоты.
В соответствии с законом Мура в 2010 году следует ожидать появления микропроцессора с тактовой частотой 30 ГГц и размером проводников 10 нм или меньше. Но, как следует из законов физики, чем больше транзисторов в процессоре и чем больше его тактовая частота, тем больший ток он потребляет. А с ростом потребляемого тока увеличивается и тепловыделение. С 1970-го по 1990 год плотность выделяемой мощности, измеряемая в ваттах на квадратный сантиметр, оставалась в пределах нескольких единиц, а к 2000 году достигла 10. Если выстроить прогнозируемую кривую до 2010 года, то в 2003-2004 годах этот показатель должен достичь 100 (что соответствует энерговыделению в ядерном реакторе), к 2008 году — 1000 (примерно как в соплах ракеты), а после 2010 года — 10 000 (лишь немного холоднее, чем на поверхности Солнца). Итак, совершенно очевидно, что без решения проблемы снижения энергопотребления дальнейший рост тактовой частоты процессоров просто невозможен.
|
|
Распространение закона Мура
сследователи
Intel расширяют зону действия закона Мура, выявляя и активно разрабатывая полупроводниковые
технологии, выходящие за рамки производства транзисторов и наращивания производительности.
Поскольку количество транзисторов в полупроводниковых компонентах удваивается
каждые два года, вместе с этим растут и возможности по повышению сложности компонентов
и интеграции в них различных устройств. Такое сочетание — количество элементов,
сложность и конвергенция — позволяет распространить действие закона Мура на
самые разные сферы. Речь идет о беспроводных технологиях, сенсорах и сенсорных
сетях, а также об оптических технологиях.
|
|
Беспроводные технологии
Беспроводные технологии корпорация Intel развивает под лозунгом «Radio Free Intel». Суть этой концепции состоит в том, что технологии беспроводной передачи данных становятся настолько универсальными и недорогими, что их вполне можно интегрировать практически во все электронные устройства. Для реализации этого плана в Intel разработано множество технологий.
До изобретения цифровой обработки радиосистемы строились полностью на аналоговых схемах. По мере освоения преимуществ, которые дает КМОП-технология в плане стоимости и размеров деталей, увеличивалась и роль цифровой обработки сигнала (DSP) в конструкции коммуникационных систем.
До недавнего времени в высокочастотных беспроводных коммуникационных системах для получения необходимой производительности аналоговых схем входного каскада использовались технологические процессы на основе арсенида галлия и другие аналогичные технологии. Несмотря на то что эти технологии обеспечивают функциональную производительность, необходимую для сегодняшних радиосистем, они все же не способны дать те показатели стоимости и масштабируемости, которые предоставляет стандартная КМОП-технология и которые диктует закон Мура. Увеличение скорости переключения транзисторов, которое происходит в результате уменьшения геометрии конструкций, разрабатываемых на основе КМОП, делает возможным проектирование аналоговых схем, работающих на очень высоких частотах, с очень хорошими коэффициентами передачи и параметрами линейности. Эти новые возможности позволят масштабировать конструкции аналоговых схем в соответствии с цифровыми возможностями, предсказанными Муром.
Исследования специалистов лабораторий Intel направлены на решение проблем, которые связаны с использованием технологии производства, оптимизированной под транзисторы с цифровым переключением и низким напряжением питания, а также под синтез аналоговых ВЧ-схем. В целях облегчения разработки и быстрого развертывания новых радиосистем специалисты лабораторий Intel работают над определением перепрограммируемой цифровой коммуникационной платформы с переменной конфигурацией. В платформе этой разработки будут использоваться мощные процессоры, различные методики цифровой обработки сигнала и высокоскоростные цифровые логические схемы, способные обеспечить передачу данных со скоростью свыше 100 Мбит/с. В целях поддержки различных протоколов беспроводной связи конфигурация этой платформы будет переменной. Например, масштабируемость указанной платформы позволит использовать ее в стандарте 802.11а или для запуска экспериментальных приложений нового стандарта Ultra Wide Band (UWB), работающих на скорости свыше 100 Мбит/с.
Исследователи Intel создают интегрированные в кристаллы интеллектуальные радиосхемы со встроенными перенастраиваемыми блоками подключения к беспроводным сетям, которые обеспечивают постоянное соединение, а также возможность автоматического и прозрачного переключения между проводными и беспроводными сетями.
В качестве одной из технологий, позволяющих реализовать радиосистемы на основе КМОП, являются микроэлектромеханические системы MEMS (Micro-Electro Mechanical System).
Микроэлектромеханические системы представляют собой механические структуры, выполненные на кремниевой основе с использованием технологий, аналогичных тем, которые применяются при производстве полупроводников. Технология производства микроэлектромеханических систем позволяет объединять на одном кристалле механические и электронные компоненты. Благодаря MEMS-технологиям в настоящее время могут быть созданы совершенно новые микросистемы, которые, обладая большим числом функциональных возможностей, займут гораздо меньше места. Микроэлектромеханические устройства представляют собой чипы, в состав которых входят механические элементы, способные совершать движения. Движение управляется напряжением или током, подающимся на кремниевый кристалл.
Микроэлектромеханические MEMS-системы являются первыми кандидатами для применения в области беспроводных коммуникаций. На базе MEMS-технологий возможно создание гибких компонентов беспроводных устройств, обладающих меньшими размерами и обеспечивающих более высокую производительность и более тесную интеграцию с пассивными радиоэлементами, применяемыми в беспроводных устройствах. Пассивные компоненты радиоустройств, такие как катушки индуктивности и кварцевые резонаторы, по-прежнему занимают много места. Из-за их аналоговой природы не произошло такого снижения стоимости и уменьшения размера, как у цифровых компонентов. Благодаря применению кремниевой MEMS-технологии возможно миниатюризировать эти пассивные компоненты и создать гибридные электронно-механические устройства, в которых пассивные и активные элементы изготовлены в рамках одного и того же компонента. В качестве примеров компонентов, выполненных с использованием MEMS-технологии, можно привести радиокоммутационные устройства, резонаторы, фильтры и варакторы. Кроме пассивных электронных компонентов, MEMS-технология применяется для производства сверхмаломощных бистабильных цветных дисплеев, очень чувствительных направленных микрофонов и интеллектуальных антенн. Сочетание электронных компонентов с микроскопическими механическими движущимися частями позволяет применить принципы закона Мура, повышая уровень интеграции и сокращая стоимость всей радиосистемы в целом.
|
|
Сенсорные сети
Другая сфера, на которую Intel планирует распространить действие закона Мура, — это сенсорные сети. Сенсоры — это устройства, сочетающие в себе сразу три функции: измерительную, вычислительную и коммуникационную. Самонастраивающиеся сети сенсоров, соединяющие достижения полупроводниковых технологий с результатами исследований в области самоорганизующихся сетей, могут содержать тысячи сенсорных устройств, связывающихся между собой и обменивающихся информацией через беспроводные каналы. Будучи рассеянными на достаточно большой площади, они могут находиться в спящем состоянии и не потреблять энергии, если в них нет нужды. Когда же они оказываются востребованы, сенсоры просыпаются, самоорганизуются оптимальным образом в сеть и передают информацию по цепи — от каждого к каждому. Заставить сенсоры работать так, как это требуется, совсем непросто. Туда следует загрузить сложные алгоритмы, с помощью которых сенсор сможет определять, где находится ближайший сосед, и связываться с ним. В зависимости от ситуации они могут выбирать различные пути для передачи информации и разные информационные параметры.
Сенсорные сети могут применяться в самых разнообразных приложениях, включая недавно появившиеся системы мониторинга природных сообществ. Такая сеть, например, помогает орнитологам, изучающим гнездовья буревестника Лича на острове Грейт Дак в штате Мэн, получать важнейшие данные без присутствия человека.
|
|
Фотоника
Третье направление, на которое распространяет свое действие закон Мура, — это фотоника, или коммуникационные технологии на основе световых волн. В обычном компьютере и традиционном телефоне информация переносится посредством электрических сигналов, однако сей «информационный ресурс» имеет пределы. С каждым днем информационный поток нарастает, и сети на основе медного кабеля уже не справляются с такой нагрузкой. Телекоммуникационная отрасль в ответ на рост Интернет-трафика обратилась к оптоволоконным технологиям.
Передача информации, осуществляемая с помощью света, происходит обычно через волоконно-оптический кабель. Основное преимущество такого кабеля состоит в том, что в настоящее время можно передавать свет на очень большие расстояния, практически без потерь в мощности сигнала.
Еще одно достоинство волоконно-оптического кабеля заключается в возможности передачи сразу нескольких сигналов с разными длинами волн через единственный оптоволоконный кабель. Эта технология получила название Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) — плотное мультиплексирование по длине волны. С момента появления первых DWDM-систем в середине 1990-х годов количество каналов, передаваемых по одному волокну, увеличилось с 16 и менее до более чем 40. Сегодня удается передавать на большие расстояния несколько каналов по 10 Гбит/с каждый. Сочетание более высокоскоростных каналов передачи и возможностей технологии DWDM в будущем позволит телекоммуникационным компаниям передавать по одному оптоволокну триллион бит в секунду — это величина, превосходящая весь нынешний трафик Интернета.
Сегодня типичная оптическая сеть сегодня состоит из множества компонентов: лазерного источника или передатчика света, мультиплексора/демультиплексора для объединения оптических сигналов с разными длинами волн, усилителей оптического сигнала, демультиплексоров и приемников, преобразующих оптический сигнал обратно в электрический. Все эти компоненты громоздки и зачастую собираются вручную, что обусловливает их высокую стоимость.
Задача полупроводниковой фотоники — поиск путей использования полупроводниковых компонентов и стандартных полупроводниковых технологий для создания оптических устройств. Идея состоит в том, чтобы создавать оптические конструктивные блоки, выполняющие активные функции, а не просто пассивные волноводы. Такие крошечные полупроводниковые конструктивные блоки в будущем можно будет устанавливать в оптические модули, снижая их цены и габариты.
В центре этих исследований — принципиально новый подход, позволяющий управлять оптическими сигналами в динамическом режиме без использования движущихся частей. Среди устройств, которые могут возникнуть в результате этих исследований, — оптические фильтры, быстродействующие коммутаторы и сверхскоростные оптические модуляторы. В рамках этих исследований удалось создать целый ряд функциональных оптических устройств исключительно на полупроводниковой основе. Среди этих устройств — перестраиваемый оптический фильтр, который Intel продемонстрировала на конференции Форума Intel для разработчиков в прошлом году. Этот фильтр шириной в несколько микрон и длиной в пару миллиметров позволяет разделять по длинам волн сигналы в спектре DWDM. Его малые размеры подчеркивают потенциальную важность такого рода полупроводниковых фотоэлектронных устройств. Однако существует фундаментальный предел, связанный с природой света, который не позволяет сократить размеры этих устройств до уровня ниже нескольких микрон. Создание полупроводниковых оптических устройств действительно позволяет интегрировать различные оптические функции в значительно более компактных устройствах, чем существующие сегодня. Кроме того, применение полупроводников в сочетании со стандартными технологиями изготовления и сборки интегральных схем позволит создавать новые недорогие технологии корпусирования и сборки. Все это определяет реальные возможности и эффективность полупроводниковой фотоники независимо от конкретных устройств и приложений.
В статье были использованы материалы Форума Intel для разработчиков (IDF Spring 2002).
