Amerikāņu pētnieku izstrādātais mikroskopiskais gaismas diožu avots varētu palīdzēt datu centriem energoefektīvāk pārsūtīt informāciju starp skaitļošanas sistēmām. Gallija nitrīda mikroLED sasniedz 2,75 GHz optiskās modulācijas joslas platumu, vienlaikus patērējot tikai 25 mW elektroenerģijas.

Datu centri arvien vairāk izmanto uz gaismu balstītus savienojumus, lai lielā ātrumā pārsūtītu pieaugošos informācijas apjomus. Tomēr tradicionālie optiskie raidītāji parasti izmanto lāzerus, kas patērē ievērojamu jaudu un rada siltumu. Jaunā mikroLED konstrukcija varētu piedāvāt efektīvāku risinājumu īsās distances optiskajiem sakariem, kā arī sniegt izstrādes vadlīnijas mazāku gaismas diožu veidošanai, nezaudējot veiktspēju.

Pieci mikrometri izrādījās optimālais izmērs

Pētījumā uzmanība tika pievērsta gallija nitrīda kvantu aku LED — plaši izmantotai pusvadītāju konstrukcijai. Zinātnieki pētīja, kā ierīces izmēri ietekmē pārslēgšanās ātrumu un elektroenerģijas patēriņu. Eksperimentos tika pārbaudītas mikroLED ar diametru no 100 mikrometriem līdz tikai 2 mikrometriem.

Pārsteidzoši, vismazākās ierīces nenodrošināja labāko kopējo rezultātu. Pētnieki secināja, ka 5 mikrometru diametrs ir optimāls līdzsvars starp joslas platumu un enerģijas patēriņu. Šādi optimizētā ierīce sasniedza 2,75 GHz optiskās modulācijas joslas platumu.

Šis rādītājs raksturo to, cik ātri LED spēj mainīt gaismas intensitāti, reaģējot uz elektriskajiem signāliem. Pārsniedzot šo frekvenci, optiskais signāls var zaudēt intensitāti un kļūt mazāk piemērots uzticamai datu pārraidei. Pētījuma vadošais autors Abdelgany Abouelnagga norādīja, ka komanda apstrīdējusi pieņēmumu — mazākas ierīces vienmēr darbojas labāk. Iegūtie rezultāti piedāvā sistemātisku veidu, kā izvērtēt sakarību starp ierīces izmēru, pārslēgšanās ātrumu un enerģijas prasībām.

Pusvadītāju modelēšana palīdzēja novērst veiktspējas zudumus

Lai sasniegtu šos rezultātus, bija nepieciešama arī detalizēta pusvadītāju modelēšana. Pētnieki analizēja materiāla nepilnības un elektriskās īpašības, kas var radīt parazītiskus efektus. Šādi nevēlami efekti var ierobežot pārslēgšanās veiktspēju un samazināt efektivitāti.

Izmantojot izveidotos modeļus, komanda vadīja ierīces izgatavošanu un optimizēja gala konstrukciju. Pētnieki norāda, ka iegūtais rezultāts ir rekords optiskās modulācijas joslas platuma ziņā starp kvantu aku LED.

Optiskie sakari kļūst arvien nozīmīgāki, datu centriem apstrādājot lielākus informācijas apjomus. Gaismas savienojumi spēj pārsūtīt datus augstās frekvencēs ar salīdzinoši maziem signāla zudumiem, savukārt vara savienojumiem, pieaugot pārraides ātrumam, ir lielāki ierobežojumi.

Īsās distances veido lielāko daļu datu centru sakaru

Patlaban daudzos ātrdarbīgos optiskajos savienojumos dominē lāzeri. Taču to jaudas prasības rada papildu slodzi datu centriem, kuri jau patērē lielu elektroenerģijas daudzumu. Optisko komponentu radītais siltums palielina arī dzesēšanas vajadzības.

Abouelnagga norādīja, ka aptuveni 90% datu centru sakaru notiek attālumā, kas nepārsniedz 10 metrus. Šādiem savienojumiem varētu būt īpaši piemēroti mazākas jaudas optiskie raidītāji. Jaunā mikroLED patērē tikai 25 mW, vienlaikus reaģējot uz elektriskajiem signāliem gigahercu frekvencēs. Tās nelielais izmērs varētu ļaut izveidot blīvus optisko izstarotāju izkārtojumus.

MikroLED masīvi varētu palielināt pārraides ietilpību

Pētnieki nākotnē paredz vairākas mikroLED izvietot divdimensiju masīvos. Katrs izstarotājs varētu pārraidīt neatkarīgu informācijas plūsmu, potenciāli palielinot sakaru ietilpību kompaktā aparatūrā.

Pētījums publicēts žurnālā IEEE Electron Device Letters. Projektā sadarbojās Ilinoisas Universitātes Urbānā-Šampeinas un Notredamas Universitātes inženierzinātņu struktūrvienību pētnieki.

Tehnoloģijai vēl nepieciešama turpmāka attīstība, tomēr tās veiktspēja iezīmē daudzsološu virzienu īsās distances optiskajiem savienojumiem. Efektīvāki mikroLED raidītāji nākotnē varētu palīdzēt datu centriem palielināt sakaru ātrumu, nepaļaujoties tikai uz energoietilpīgiem lāzeriem.