Микроскопический светодиод может стать для центров обработки данных более энергоэффективным способом передачи информации между вычислительными системами.
Исследователи из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне и Университета Нотр-Дам разработали микросветодиод с рекордной производительностью оптического переключения. Устройство обеспечивает полосу пропускания оптической модуляции в 2,75 гигагерца, потребляя при этом всего 25 милливатт энергии.
Это достижение может помочь снизить энергопотребление при оптической связи на коротких расстояниях. Центры обработки данных все чаще используют оптические каналы для передачи информации на высоких скоростях. Однако в обычных оптических передатчиках обычно используются лазеры, которые потребляют много энергии и выделяют тепло.
Исследователи считают, что их разработка может стать эффективной альтернативой для таких соединений. Полученные результаты также определяют направление развития для создания светодиодов меньшего размера без ущерба для их производительности.
Поиск идеального размера
Исследовательская группа сосредоточилась на светодиодах на основе квантовых ям из нитрида галлия – широко используемом полупроводниковом материале. Они изучали, как размеры устройства влияют на скорость переключения и энергопотребление. В ходе экспериментов использовались микросветодиоды диаметром от 100 микрометров до всего 2 микрометров.
Удивительно, но самые маленькие устройства оказались не самыми эффективными. Исследователи определили, что 5 микрометров – оптимальный диаметр для баланса пропускной способности и энергопотребления.
Оптимизированное устройство обеспечило полосу пропускания оптической модуляции 2,75 ГГц. Этот показатель указывает на то, насколько быстро светодиод может менять интенсивность светового потока в ответ на электрические сигналы. При превышении этой частоты оптический сигнал может терять интенсивность и становиться менее пригодным для надежной передачи данных.
Ведущий автор проекта Абдельгани Абуэлнагга (Abdelghany Abouelnagga) сказал, что команда поставила под сомнение предположение о том, что устройства меньшего размера всегда работают лучше. Их выводы представляют собой системный подход к оценке взаимосвязи между размером устройства, скоростью переключения и энергопотреблением.
Для достижения этих результатов также потребовалось детальное моделирование полупроводников. Исследователи изучили дефекты материалов и электрические характеристики, которые могут приводить к паразитным эффектам. Эти нежелательные эффекты могут ограничивать производительность при переключении и снижать эффективность.
Команда использовала эти модели для контроля процесса изготовления и оптимизации конечного устройства. Полученные результаты являются рекордными по ширине полосы оптической модуляции среди светодиодов на квантовых ямах.
Сложные лазерные системы для центров обработки данных
Оптическая связь становится все более важной по мере того, как центры обработки данных обрабатывают растущие объемы информации. Световые соединения позволяют передавать данные на высоких частотах с относительно небольшими потерями сигнала. Медные межсоединения сталкиваются с более серьезными ограничениями по мере увеличения скорости передачи данных.
В настоящее время лазеры используются во многих высокоскоростных оптических соединениях. Однако их энергопотребление создает дополнительные проблемы для предприятий, которые и без того потребляют много электроэнергии. Тепло, выделяемое оптическими компонентами, также увеличивает потребность в охлаждении.
Так же, г-н Абуэлнагга отметил, что примерно 90% коммуникаций в центрах обработки данных осуществляются на расстояниях менее 10 метров. Для таких соединений можно использовать оптические передатчики с низким энергопотреблением.
Новый микросветодиод потребляет всего 25 милливатт и реагирует на электрические сигналы с частотой в гигагерцы. Благодаря небольшому размеру его можно использовать для плотного размещения оптических излучателей.
Исследователи предполагают размещать несколько микросветодиодов в виде двумерных массивов. Каждый излучатель может передавать независимый поток информации, что потенциально увеличивает пропускную способность связи в компактном оборудовании.
Исследование опубликовано в журнале IEEE Electron Device Letters. Исследователи из Иллинойса и Нотр-Дама работали над проектом совместно, используя ресурсы своих инженерных факультетов.
Несмотря на то, что технология все еще требует доработки, ее эффективность открывает многообещающие перспективы для оптических каналов связи малого радиуса действия. Более эффективные микро-светодиодные передатчики в перспективе могут помочь центрам обработки данных увеличить скорость передачи данных, не полагаясь исключительно на энергоемкие лазеры.
