Российские исследователи нашли решение проблемы перегрева активных компонентов оптоэлектронных микропроцессоров, сообщает в понедельник пресс-служба МФТИ. "Такие процессоры буду работать в десятки раз быстрее современных",- говорится в пресс-релизе. Производительность многоядерных процессоров сегодня определяется не столько скоростью работы каждого ядра, сколько скорость обмена данными между ними.
Между тем, электрические медные соединения в микропроцессорах ограничены по пропускной способности, что уже не позволяет наращивать производительность: так, двукратное увеличение количества ядер не даёт двукратного роста вычислительной мощности. Поэтому ведущие компании полупроводниковой индустрии, такие как IBM, Oracle, Intel и HP сейчас постепенно переходят от электроники к фотонике, в которой информация передаётся потоками фотонов, а не электронов.
Кроме того, возможны гибридные системы. Так, в оптоэлектронном микропроцессоре вычисления внутри каждого ядра будут вестись за счёт электронов, а информацию между ядрами будут практически мгновенно передавать фотонные компоненты. Однако из-за дифракции фотонные компоненты нельзя так же легко уменьшать, как электронные. Эту проблему ученые решают переходом от объемных электромагнитных волн к плазмон-поляритонам, электромагнитным волнам, способным распространяться вдоль поверхности металлов. Но, так же как протекание тока через резистор вызывает выделение тепла, так и фотонные компоненты разогреваются при прохождении поверхностной электромагнитной волны (см. рис. 1).
Плотность тепловой мощности потерь с единицы поверхности плазмонного волновода составляет 10 кВт/см2, что в два раза превышает плотность излучения у поверхности Солнца.
Рис.1 Распределение температуры в активном плазмонном волноводе на оптоэлектронном чипе с охлаждением © Пресс-служба МФТИ
Дмитрий Федянин и Андрей Вишневый, сотрудники лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ, нашли способ решения этой проблемы.
Они показали, что использование различных термоинтерфейсов - слоев теплопроводящих материалов, находящихся между чипом и системой охлаждения и обеспечивающих беспрепятственный отвода тепла - позволит эффективно охлаждать высокопроизводительные оптоэлектронные чипы. По результатам компьютерного моделирования Федянин и Вишневый сделали вывод: если оптоэлектронный чип с активными плазмонными волноводами разместить в воздухе, то его температура повысится на несколько сотен градусов Цельсия, что приведет к неработоспособности устройства. Многослойные термоинтерфейсы нано- и микрометровой толщины в сочетании с простыми системами охлаждения способны уменьшить температуру чипа с нескольких сотен до приблизительно 10 градусов Цельсия, выше температуры окружающей среды. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда и программой повышения конкурентоспособности МФТИ "5-100", а его результаты опубликованы в журнале ACS Photonics.
