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Algunos analistas afirman que la Ley de Moore se está deteniendo con la llegada de 3 nm. La mayor parte del tiempo esta conversación se centra en problemas con los efectos cuánticos en dispositivos reducidos; sin embargo, otro problema (y posiblemente más significativo) es la interconexión, que se está convirtiendo cada vez más en un cuello de botella del sistema.

Una tendencia de escalado menos discutida es la de la interconexión. Imagen utilizada por cortesía de la Universidad de Stanford.

La necesidad combinada de mejorar los dispositivos más allá de la Ley de Moore, junto con la funcionalidad decreciente de los esquemas de interconexión tradicionales, están allanando el camino para el campo de la fotónica de silicio. Si bien este campo no es necesariamente nuevo, está ganando terreno. En diciembre de 2020, Intel comentó en sus "Lab Days" anuales que la compañía está investigando activamente la fotónica de silicio "para superar los límites de la E / S eléctrica al avanzar en la integración de tecnologías ópticas y de silicio para futuros centros de datos y redes conectadas por luz. . "
En este artículo, analizaremos los desafíos de los circuitos integrados convencionales, la necesidad de fotónica de silicio y destacaremos investigaciones recientes en las que los científicos utilizaron fotónica de silicio para crear un sensor de ultrasonido mejorado.

El cuello de botella de la interconexión

Actualmente, hay dos tendencias generales en el mundo de los circuitos integrados: los dispositivos son cada vez más pequeños y las áreas de chips son más grandes (debido a una mayor integración). El resultado de estas tendencias es que la interconexión, no el dispositivo, se está convirtiendo en uno de los mayores cuellos de botella en el diseño de circuitos integrados.

Las interconexiones en un IC se ven afectadas directamente por su geometría y posición cerca una de la otra. Imagen utilizada por cortesía de la Universidad de Stanford.

Las interconexiones, en general, están siendo forzadas a geometrías más pequeñas con menor ancho y grosor, mientras que las interconexiones globales, como la línea de reloj, también son cada vez más largas para adaptarse a tamaños de chip más grandes.
Además, una mayor integración está creando más capas de metal que están más cerca unas de otras. Todo esto da como resultado impedancias de interconexión enormemente aumentadas, donde las resistencias, capacitancias e inductancias parásitas son cada vez más prominentes que las de los propios transistores.

La interconexión se está convirtiendo en un cuello de botella en el diseño de circuitos integrados. Imagen utilizada cortesía de Grzela et al.

Como tal, la interconexión es uno de los mayores contribuyentes tanto al retraso del sistema como al consumo de energía en forma de energía de movimiento de datos.

Silicon Photonics: una posible solución

La solución a estos problemas, como muchos creen, es la fotónica de silicio.

La fotónica de silicio utiliza la luz para comunicarse. Imagen utilizada por cortesía de Luxtera e IEEE Spectrum

La fotónica de silicio es una forma de CI en la que los circuitos integrados fotónicos se construyen sobre silicio. En estos circuitos, los datos se transmiten y se mueven alrededor del chip a través de la luz a través de guías de ondas en lugar de las señales eléctricas a través de interconexiones de cobre. El resultado es una técnica que evita la creciente preocupación del cuello de botella de interconexión, creando circuitos integrados más rápidos sin tener que reducir la escala del transistor.
La tecnología se ha limitado principalmente a la investigación hasta este punto, pero existe un fuerte impulso para llevarla finalmente a la industria para casos de uso de velocidad y consumo de energía, como los centros de datos.

Sensor de ultrasonido basado en Silicon Photonics

Demostrando el valor de la fotónica de silicio, un grupo de investigadores del Centro Interuniversitario de Microelectrónica (IMEC) en Europa ha desarrollado un sensor de ultrasonido basado en fotónica de silicio.
Los sensores de ultrasonido convencionales utilizan conjuntos de dispositivos piezoeléctricos que dependen de la resonancia mecánica a frecuencias de ultrasonido específicas. Desafortunadamente, estas técnicas están limitadas por muchos factores. Por ejemplo, cuanto más pequeño es el piezo, menos sensible es, lo que dificulta su capacidad para integrarse en arreglos grandes.

Disposición del sensor de ultrasonido. Imagen utilizada por cortesía de Westerveld et al.

En su artículo en Nature, los investigadores proponen un nuevo método que utiliza una guía de ondas fotónica de silicio de "costilla dividida". El sistema consta de una parte principal colocada sobre una membrana móvil junto con una nervadura fija sobre un sustrato. Los dos se colocan en un espacio de 15 nm de ancho que contiene un fuerte campo eléctrico.
Cuando una onda de ultrasonido distorsiona la membrana, el campo eléctrico variará en gran medida el índice de refracción de la guía de ondas, lo que cambiará las propiedades de resonancia de la nervadura fija. Los investigadores pudieron utilizar láseres sintonizables para leer esta longitud de onda, produciendo una señal precisa.

El poder de la luz

Se dice que el sensor de ultrasonidos propuesto en esta investigación tiene una sensibilidad 100 veces mayor que los sensores convencionales, lo que muestra el poder que puede ofrecer la fotónica de silicio. A medida que la Ley de Moore llega a su fin y las interconexiones se vuelven cada vez más difíciles de trabajar, un cambio a la fotónica de silicio puede ser la solución para mantener el avance del campo.