PROSPETTIVE FUTURE DELL INTEGRAZIONE OPTOELETTRONICA

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1 CAPITOLO III PROSPETTIVE FUTURE DELL INTEGRAZIONE OPTOELETTRONICA III.1 Introduzione L attività scientifica sugli OEIC è iniziata nel 1979 con un grande progetto negli USA, per la realizzazione di circuiti di commutazione su di un singolo chip per LAN (Local Area Network) ottiche. Diversi dispositivi furono sviluppati, mentre nel 1983 partiva anche in Giappone un grande progetto. Man mano che si procedeva con le attività di ricerca si sono fatte sempre più chiare le necessità di miglioramento della tecnologia dei computer. Gli OEIC nei prossimi anni si affermeranno sempre più come hardware di base per lo sviluppo dei sistemi di elaborazione delle informazioni, così come i circuiti integrati elettronici LSI (Large Scale of Integration) rappresentano i circuiti di base degli attuali sistemi. La crescente domanda di velocità e densità di integrazione sempre più elevate può essere soddisfatta da circuiti integrati optoelettronici in cui cooperano dispositivi elettronici ed optoelettronici su di uno stesso substrato. Si tratta cioè di sistemi integrati foto-elettronici in cui fotoni ed elettroni vengono usati in modo complementare per ottenere le migliori prestazioni. La microelettronica ha dato un impulso determinante allo sviluppo di computer di nuova generazione. Tuttavia, in questo sviluppo è stato sempre meglio evidenziato il problema delle interconnessioni fra punti distanti in un circuito elettronico. Questo problema è legato alla natura stessa dell elettrone, inteso come particella che trasporta una carica elettrica, e produce effetti del tipo ritardo del segnale (dovuto alle capacità parassite dei collegamenti metallici), accoppiamenti mutui e dissipazione di potenza. Le interconnessioni ottiche in circuiti elettronici, che utilizzano i fotoni al posto degli elettroni, sono la tecnologia che permette di risolvere il problema su citato. I fotoni trasportano il segnale alla massima velocità possibile senza l uso di conduttori e non hanno carica. Per questo ultimo motivo la loro interazione con i materiali è piuttosto debole e non interagiscono fra loro. Oltre alle interconnessioni ottiche, si prevede di vedere crescere il numero di dispositivi optoelettronici integrati in circuiti LSI per formare i cosiddetti U-OEIC (Ultra-Large-Scale Opto- Electronic Integrated Circuit), che saranno impiegati nei computer, nei sistemi di elaborazione dell informazione, nei sistemi neurali,

2 III.2 Interconnessioni ottiche in microprocessori ULSI Nei microprocessori ULSI è stato calcolato un significativo miglioramento introdotto dalle interconnessioni ottiche per lunghezze > 10 mm. Infatti, con collegamenti di 20 mm, il ritardo in caso di connessione ottica è circa 1/10 di quello elettrico; ciò significa che con collegamento metallico la velocità di funzionamento è limitata ad alcune centinaia di MHz, mentre nel caso ottico si arriva ad alcuni GHz. La Fig. III.1 mostra il tempo di ritardo di interconnessioni elettriche ed ottiche in funzione della lunghezza di collegamento, per tre diverse larghezze di filo conduttore (DR); il ritardo della connessione ottica include anche l extra delay time Te (300 psec), dovuto al driver del diodo laser e al diodo laser stesso, al fotodiodo e all amplificatore. E anche necessario osservare che le interconnessioni ottiche non solo riducono il ritardo ma abbattono fortemente anche le perdite. Ad esempio: nel caso di connessione elettrica lunga 1 cm, la capacità della linea è molto più grande della capacità di ingresso del transistore, perciò la maggior parte della potenza di pilotaggio è perduta per caricare la capacità della linea C L. Fig.III.1 Tempo di ritardo di interconnessioni elettriche ed ottiche in funzione della lunghezza di interconnessione. I collegamenti elettrici sono per tre diversi valori della larghezza del conduttore (DR)

3 Si trova 0.2 mw per C L = 2 pf a 100 MHz e 2.0 mw a 1 GHz. Con la connessione ottica, assumendo fotoni per impulso, la potenza ottica è circa 0.1 μw a 100 MHz e 1 μw a 1 GHz. In Fig. III.2 è illustrato il confronto fra connessioni elettriche ed ottiche appena descritto. Fig.III.2 Confronto fra collegamenti elettrici ed ottici di lunghezza 10 mm. a) interconnessione con conduttore metallico in un circuito ULSI con capacità C L = 2 pf (DR = 1 μm). La capacità di ingresso del transistore C in è 0.02 pf. La potenza di pilotaggio è P = fcv 2 e l efficienza = C in /C L. b) Linea di trasmissione: Impedenza caratteristica 100 ohm; potenza di pilotaggio V 2 /Z 0. c) interconnessione ottica con guida fra laser e fotodiodo; le perdite di conversione EO nel LD e OE nel PD sono piccole; la potenza al PD può essere < 10 μw e quella di pilotaggio del LD < 100 μw III.2.1 Esempi di interconnessioni In questo paragrafo sono chiariti alcuni criteri di progetto di interconnessioni. In un circuito ULSI di 1 cm 2, i collegamenti a grande distanza sono di circa 1 cm, come indicato in Fig. III.3. Se nel punto A sono fabbricati un diodo laser (che converte il segnale elettrico in segnale ottico) con il suo driver, la luce impiega circa 50 psec per passare da A a B in una guida ottica realizzata sulla superficie del wafer. Nel punto B ci sarà un ricevitore ottico (fotodiodo+amplificatore) per la conversione ottico-elettrica. Il ritardo del diodo laser dipende dal suo tempo di risposta e dalla velocità del segnale elettrico nel driver. Un tempo di risposta tipico di

4 diodi laser e di fotodiodi di piccole dimensioni è di 10 psec, mentre ben più elevato è quello del driver e dell amplificatore. Il tempo di ritardo complessivo ottenibile è anche < di quello assunto in Fig. III.1 (300 psec). Fig.III.3 Circuito di collegamento ottico. Per convertire un segnale elettrico in uno ottico, si deve inserire un laser ed il suo driver all estremità A ed il fotodiodo con l amplificatore all estremità B, per la conversione inversa Quanto alla perdita di potenza si ribadisce che essa è trascurabile nel caso di connessioni ottiche. Tuttavia, assumendo un efficienza di conversione del laser di 0.3 e del rivelatore di 0.5 ed un accoppiamento in guida di 0.7, la trasmissione totale (ingresso elettrico-uscita elettrica) può essere dell ordine del 10%. La potenza del laser andrà regolata in base al fan out (numero di guide in uscita, con una sola guida in ingresso). III.2.2 Distribuzione di clock e linea bus in circuiti ULSI In Fig. III.4 è mostrato un circuito ottico di distribuzione di clock con 100 fan out. Il fascio laser è accoppiato in una guida ottica che termina in numerose diramazioni, ognuna delle quali si chiude con un fotodiodo; l uscita di ciascuno dei 100 amplificatori alimenta un apposito circuito elettrico dove è richiesto il segnale di clock. Naturalmente è necessario fare in modo che i segnali di clock siano accuratamente temporizzati a ciascuna uscita del circuito. Ciò vuol dire che la lunghezza di tutte le guide ottiche deve essere la stessa (1mm di lunghezza di guida produce un ritardo di circa 5 psec). Inoltre, la potenza ottica deve essere deve essere suddivisa in parti uguali in ciascun ramo e le riflessioni, che disturbano il segnale ottico e generano ritardi addizionali producendo così uscite non bilanciate, in ogni ramo devono essere minime. Le riflessioni possono essere minimizzate con l uso di appositi assorbitori e, comunque, richiedono un aumento della potenza laser.

5 Fig.III.4 Distribuzione ottica di clock Se la frequenza di clock è 300 MHz, la minima potenza all ingresso del fotodiodo è circa 0.3 μw (valore tipico per fotodiodi disponibili); se si richiede l amplificazione dell uscita del fotodiodo, sarebbe desiderabile una potenza all ingresso del fotodiodo > 0.3 μw per minimizzare la potenza complessiva di sistema. Per un fan out di 100, è stata calcolata una potenza di laser di circa 3 mw, incluse le perdite di accoppiamento ottico, ben inferiore a quella richiesta da un sistema elettrico di distribuzione di clock. Per un circuito elettrico di clock equivalente, la situazione è più complicata. Infatti, il tempo di ritardo per le interconnessioni elettriche è di pochi nsec a 20mm; ciò significa grande attenuazione e sfasamento nei circuiti di clock a 300 MHz. In pratica, vengono usati alcuni stadi di amplificazione fra il driver del clock e l amplificatore finale per la distribuzione del segnale di clock. Una stima approssimata per un microprocessore CMOS a 0.2 μm, con frequenza di clock di 250 MHz, ha mostrato un miglioramento del valore della potenza di sistema da 5 a 2 W. Inoltre, con i circuiti elettrici non è possibile usare frequenze di clock maggiori di qualche centinaio di MHz, mentre con circuiti ottici si arriva ai GHz. In Fig. III.5 è mostrato lo schema di una linea bus ottica. La linea collega i registri all ALU (Arithmetic Logic Unit); il segnale viene trasmesso allo scopo di scambiare informazioni fra l ALU ed i registri. La linea trasmette anche i segnali fra i diversi registri. Questi scambi di segnali sono possibili con un adeguato timing regolato dall unità di centrale controllo.

6 Fig.III.5 Esempio di linea bus ottica che collega una ALU ed alcuni registri La linea bus è formata da una guida d onda che presenta numerosi ingressi ed altrettante uscite. I diodi laser sono accoppiati alla guida e l accoppiamento è progettato in modo da evitare che i segnali passino dalla guida ai laser (ciò è possibile perché le cavità laser hanno un Q elevato e, perciò, l accoppiamento della luce dalla guida al laser è piuttosto debole). Anche i rivelatori sono accoppiati debolmente alla guida (circa 1%) in modo che possano prelevare una piccola quantità di luce dalla guida. Per un segnale di clock di 300 MHz è sufficiente una potenza laser di 1 mw. La velocità di funzionamento è dell ordine dei GHz. In una linea bus elettrica tutte le uscite e gli ingressi degli amplificatori sono collegati in parallelo su di un unico conduttore metallico. Anche in questo caso un miglioramento delle prestazioni è ottenibile con tecnologia CMOS e linea bus ottica. In genere, il circuito ottico passivo (guida ottica e componenti passivi) si realizza su di un substrato separato dal chip microprocessore. Il substrato ottico si chiama optical plate ; esso consente di realizzare interconnessioni orizzontali o verticali, come mostrato in Fig. III.6. Fig.III.6 Principio dell optical plate. Sono possibili interconnessioni orizzontali sullo stesso circuito LSI e verticali fra due diversi chip

7 III.3 Interconnessioni ottiche verticali Oltre alle connessioni orizzontali, più facilmente immaginabili, si usano anche quelle verticali, che permettono la realizzazione di sistemi tridimensionali. Il primo prototipo di un simile sistema è stato proposto nel 1990 da ricercatori giapponesi: si tratta di un sistema formato da quattro insiemi di circuiti di memoria da 4 Kbit connessi verticalmente da coppie di LED-fotodiodo. La Fig. III.7 mostra uno schema concettuale di un sistema di circuiti integrati a tre dimensioni (3DIC) con collegamenti orizzontali e verticali. Il tempo di ritardo di interconnessioni fra due punti qualsiasi del sistema è < 1 nsec, se si usano i laser anziché i LED. Per questo tipo di configurazione si possono ottenere le velocità più alte. Un altro gruppo di ricercatori giapponesi ha proposto nel 1992 un sistema di elaborazione parallela di immagini a 2D, formato da una schiera di fototransistori (64x64 = 4096) ciascuno collegato ad un circuito di elaborazione, ciascuno dei quali dotato di 300 gate. Ogni processore è collegato a quelli ad esso più vicini. L uscita di ciascun processore è indicata da un LED. Il tempo di elaborazione del sistema dipende dall applicazione specifica, che definisce il numero dei passi di elaborazione (100 nsec per ogni ciclo). Poiché l elaborazione si realizza in parallelo su tutti i processori, la velocità che si ottiene è circa 10 5 volte quella dei metodi convenzionali basati sulle tecniche di scanning. Se si collegano otticamente più elaboratori 2D, si realizzano sistemi di elaborazione delle immagini a 3D. Fig.III.7 Circuito integrato tridimensionale (3DIC) con collegamenti verticali ed orizzontali. Un numero elevato (<100) di chip possono essere raggruppati in un piccolo volume. Due punti qualsiasi del volume possono essere collegati fra loro in un tempo molto breve(decine di nanosecondi)

8 III.4 Sviluppi futuri Finora si è visto che le interconnessioni ottiche in microprocessori ULSI (U-OEIC), quando si usano diodi laser (di dimensioni micrometriche) e fotorivelatori, permettono di abbattere in modo significativo i ritardi dei collegamenti e le relative perdite di potenza. Per quanto riguarda le tecnologie, ormai i problemi più seri sono stati rimossi, anche se ancora uno sforzo di ricerca e sviluppo è richiesto. E stato anche fatto riferimento alla possibilità di fabbricare sistemi 3D (memorie per sistemi multiprocessore) mediante l uso di collegamenti ottici. L idea di usare le comuni memorie per il funzionamento di microprocessori in un sistema ipercubo è stato proposto nel Questo sistema è adatto per funzionamento altamente parallelo di microprocessori e può essere costruito mediante interconnessioni ottiche verticali. Una struttura ipercubo con tre strati è mostrata in Fig. III.8. Fig.III.8 Sistema di elaborazione parallela ipercubo con comuni memorie. a) Ipercubo a tre porte con 8 memorie (quadrati) e 12 processori (cerchi). b) Struttura ipercubo a molti strati con memori otticamente accoppiate.

9 In questa struttura non sono necessari collegamenti elettrici e le memorie comuni sono collegate da interconnessioni ottiche. Con 13 strati si può realizzare un sistema ipercubo con microprocessori. Le velocità di collegamento fra i microprocessori sono molto elevate ed in un sistema ad n strati, il ritardo di collegamento è n volte il ritardo di collegamento fra strati di memoria adiacenti. Se si usano i laser, il più lungo tempo di ritardo per 13 strati è 10 nsec. Questo sistema può essere utilizzato con successo per la formazione di computer a reti neurali. Un altro campo applicativo piuttosto vasto è quello che si riferisce all uso di luce a diverse lunghezze d onda. Nel caso di linee bus, ad esempio, usando n colori, si possono far funzionare n linee bus su di una stessa guida ottica. Dispositivi micro optoelettronici sono particolarmente indicati per circuiti multicolori. Questi dispositivi, se usati con interconnessioni di tipo broadcasting, possono servire a realizzare sistemi di calcolo di tipo neurale. Questa tecnologia U-OEIC, oltre a consentire gli sviluppi su descritti, ha le potenzialità per consentire la fabbricazione di laser estremamente veloci e con oscillazione a singolo modo stabile, che potranno sostituire i più complicati laser DFB, nonché di nuovi fotorivelatori. In conclusione, la tecnologia U-OEIC può essere ritenuta la base dei sistemi più avanzati attuali e del prossimo futuro, nel senso che nuovi dispositivi, quali ad esempio dispositivi quantici a 3D e dispositivi a giunzione tunnel, saranno sempre più combinati con circuiti microelettronici attraverso interconnessioni ottiche per realizzare sistemi per una gran varietà di applicazioni.

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