Физики из МФТИ предложили эффективную систему охлаждения активных плазмонных компонентов оптоэлектронных микропроцессоров, которые в будущем будут работать в десятки тысяч раз быстрее современных.

Современные компьютерные технологии используют для своей работы движение электронов.  Их развитие ограничивается физическими факторами, препятствующими уменьшению размеров устройств и рабочей частоты.

Рис. 1. Схема охлаждающего устройства для чипа (справа). Структура термоинтерфейса между чипом и радиатором (в центре). Распределение температуры в активном плазмонном волноводе (слева).

Рис. 2. Активный плазмонный волновод с электрической накачкой.

В настоящее время быстродействие электронных схем уже близко к своему максимуму, и повышение быстродействия компьютеров обеспечивается распараллеливанием вычислений. В частности, для этого созданы многоядерные процессоры.

Быстродействие компьютеров с большим количеством ядер определяется не только скоростью работы одного ядра, но и скоростью обмена данными между ядрами. Традиционные электрические медные соединения в микропроцессорах ограничены по пропускной способности, и в настоящее время уже не позволяют наращивать производительность процессоров. Другими словами, двукратное увеличение количества ядер не даст двукратного роста производительности.

В поисках решения проблем быстродействия физики обратились к оптике, пытаясь заменить электроны фотонами. В случае успеха это должно привести к появлению оптических компьютеров с быстродействием по крайней мере, в десятки тысяч раз выше современных.

В частности, замена электронов на фотоны позволит передавать большие объемы данных между ядрами процессора практически мгновенно и масштабировать их производительность пропорционально количеству ядер. Поэтому множество исследовательских групп  по всему миру, включая  ведущие компании IT индустрии, такие как IBM, Oracle, Intel, HP,  работают сейчас над созданием сверхбыстрых оптических систем, которые смогли бы заменить электронные схемы. Возникший оптический аналог электроники получил название фотоники. Уже сейчас в эту отрасль инвестируются миллиарды долларов.

Однако дифракция света не позволяет создавать оптические устройства с размером менее, чем порядка длины волны. Для видимого диапазона она составляет примерно 0,5 микрометров или 500 нанометров, в то время как размер транзистора в скором времени станет меньше 10 нанометров.

Эту фундаментальную проблему можно решить переходом к так называемым поверхностным плазмон-поляритонам – колебаниям, которые распространяются вдоль металлической поверхности. По физической природе они представляют собой гибрид плазменных и электромагнитных колебаний. Внутри металла они похожи на плазменные, а снаружи – на объемные электромагнитные. Объемные электромагнитные волны легко и эффективно трансформируются в поверхностные. При этом, если объемные плазмоны имеют определенную частоту, зависящую от концентрации электронов, то поверхностные не имеют ограничений по частоте, что позволит «сжать» свет до наномасштабов.

Главная проблема на этом пути – поглощение поверхностных плазмон-поляритонов в металле. Этот эффект аналогичен сопротивлению в электронике, где энергия электронов теряется, преобразуясь в тепло, при прохождении тока по проводам. Потери можно компенсировать, закачивая дополнительную энергию в плазмоны, т.е. создав активную линию передачи.

 Однако накачка создает дополнительное тепловыделение, которое ведет к росту температуры не только самих плазмонных компонентов, но и всего процессора. Повышение же температуры ведет к росту потерь и потребует еще большей мощности накачки, что приведет к еще большему возрастанию температуры. Получается замкнутый круг, который  может привести к таким большим температурам (в несколько сотен градусов Цельсия), что кристалл процессора просто разрушится. Расчеты показывают, что плотность тепловой мощности с единицы поверхности такого активного плазмонного волновода с компенсацией потерь составляет более 10 кВт/см², что в два раза превышает мощность излучения у поверхности Солнца!

Сотрудники лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ Дмитрий Федянин и Андрей Вишневый нашли способ решения этой проблемы, используя компьютерное моделирование. Как известно, в системах охлаждения для отвода тепла используются так называемые термоинтерфейсы – слои специального состава между охлаждаемым элементом и теплоотводящим устройством. Многие, наверное, знают термопасту, помещаемую между процессором и радиатором.

Исследователи показали, что использование высокоэффективных многослойных термоинтерфейсов нано- и микрометровой толщины в сочетании с простыми системами охлаждения способны уменьшить температуру чипа до температуры, лишь на 10 градусов Цельсия превышающей температуру окружающей среды. Это открывает широкие перспективы использования оптоэлектронных процессоров: от суперкомпьютеров до компактных электронных устройств, причем используя обычные для сегодняшнего дня системы охлаждения.

Исследование поддержано грантом Российского научного фонда #14-19-01788 и программой повышения конкурентоспособности МФТИ «5-100». Результаты опубликованы в журнале ACS Photonics.

По материалам пресс-релиза МФТИ.

Краткое изложение результатов на английском языке можно посмотреть в видео.
Иллюстрации взяты из данного видео.