Cercetatorii de la Institutul de Fizica si Tehnologie din Moscova (Moscow Institute of Physics and Technology - MIPT) au gasit o solutie la problema de supraincalzire a componentelor plasmonice active. Aceste componente vor fi esentiale pentru transferul rapid de date in cadrul microprocesoarelor optoelectronice ale viitorului, care vor putea sa functioneze de zeci de mii de ori mai repede decat microprocesoarele aflate in uz in prezent. In lucrare publicata in ACS Photonics cercetatorii au demonstrat cum pot fi racite eficient cipurile electronice utilizand elemente absorbante de caldura standard din industrie, in ciuda cantitatii mari de caldura generate in componentele plasmonice active.

Distributia temperaturii intr-un ghid de unde plasmonice active pe un cip optoelectronic cu un sistem de racire

Viteza multicore si manycore a microprocesoarelor, care sunt deja utilizate in sistemele informatice de inalta performanta, nu depind atat de mult de viteza unui nucleu individual, ci mai degraba de timpul necesar pentru transferul datelor intre nuclee. Benzile interconectoare cupru utilizate in microprocesoare astazi sunt fundamental limitate in largimea de banda, iar acestea nu pot fi utilizate pentru a mentine cresterea continua a performantei procesorului. Cu alte cuvinte, dublarea numarului de nuclee nu va dubla puterea de procesare.

Companii de top din industria semiconductorilor, precum IBM, Oracle, Intel si HP, vad ca unica solutia trecerea de la electronica la fotonica, investind in prezent miliarde de dolari in acest domeniu. Inlocuirea electronilor cu fotoni inseamna transferul de cantitati mari de date intre nuclee, care, la randul sau va insemna ca performanta procesorului va fi aproximativ proportional cu numarul de nuclee.
Cu toate acestea, din cauza difractiei, componente fotonice nu sunt la fel de usor de redus la scara precum componentele electronice. Dimensiunile acestora nu poate fi mai mica decat lungimea aproximativ egala cu lungimea de unda de lumina (~ 1 micrometru sau 1000 nanometri), dar tranzistorii vor fi in curand la fel de mici ca 10 nanometri. Aceasta problema fundamentala poate fi rezolvata prin trecerea de la „bulk waves” la „surface waves”, cunoscute si ca „surface plasmon polaritons” (SPP). Acest lucru va permite limitarea luminii pe scara nanometrica. Impreuna cu cele mai importante centre de cercetare ale companiilor industriale si laboratoarele universitatilor de top, oamenii de stiinta rusi de la Laboratorul de Nano Optica si Plasmonica al Institutului de Fizica si Tehnologie din Moscova fac progrese mari in acest sens. 

Cea mai mare dificultate cu care se confrunta oamenii de stiinta este faptul ca SPP sunt absorbite de metal, material esential in plasmonica. Acest effect este similar rezistentelor din electronica, unde energia electronilor este pierduta si transformata in caldura la trecerea curentului printr-un resistor. Pierderea SPP poate fi compensata prin pomparea de energie suplimentara in SPP. Cu toate acestea, aceasta pompare va produce caldura suplimentara, care, la randul sau, va provoca o crestere a temperaturii nu numai in componentele plasmodice, dar, de asemenea, in procesorul ca un intreg. Cu cat va fi mai mare absorbtia in metal, cu atat va fi mare pierderea, fiind necesara o pompare mai puternica. Aceasta va creste temperatura, care din nou va cauza o crestere a pierderii, facand dificil un castig optic necesar pentru a compensa pierderea, acest lucru insemnand ca este nevoie de o pompare si mai puternica. Se formeaza un ciclu in care temperatura se poate ridica la o asemenea masura incat un cip de procesor va arde. Nici nu e de mirare, din moment ce puterea de incalzire pe unitatea de suprafata a ghidului de unde plasmonice active cu compensarea pierderilor depaseste 10 kW / cm2, adica de doua ori mai mult decat intensitatea radiatiei solare la suprafata Soarelui!

Dmitry Fedyanin si Andrey Vyshnevyy, cercetatori in cadrul Laboratorului de Nano Optica si Plasmonica al Institutului de Fizica si Tehnologie din Moscova au gasit o problema la aceasta solutie. Ei au demonstrat ca utilizarea interfetelor termice de inalta performanta, de ex. straturi de materiale conductoare termic plasate intre chip si sistemul de racire asigura eliminarea eficienta a caldurii din chip („thermal grease” este un tip popular de interfata termica, desi nu este foarte eficienta) chip-urile optoelectronice de inalta performanta pot fi racite cu ajutorul sistemelor de racire conventionale. 

Pe baza a numeroase simulari, Fedyanin si Vyshnevyy au ajuns la concluzia ca daca un chip optoelectronic cu ghiduri de unda plasmonice active este plasat in aer, temperatura sa va creste cu cateva sute de grade Celsius, ceea ce va cauza functionarea defectuoasa a dispozitivului. Interfetele termice multistratificate de grosime nano- si micrometrica, combinate cu sistemele de racire simple pot reduce temperatura cipului de la cateva sute de grade la aproximativ zece grade fata de temperatura ambianta. Aceasta deschide perspectivele pentru punerea in aplicare a microprocesoarelor optoelectronice de inalta performanta intr-o gama larga de aplicatii, de la supercomputere la dispozitive electronice compacte.

VIDEO:
https://youtu.be/XwYyJYi5uvg
Dmitry Fedyanin si Andrey Vyshnevyy explica munca lor.

https://mipt.ru