Dank neuer energieeffizienter Switches sind Rechenzentren der nächsten Generation in Reichweite

Rechenzentren – dedizierte Räume zum Speichern, Verarbeiten und Verbreiten von Daten – ermöglichen alles von Cloud Computing bis hin zu Video-Streaming. Dabei verbrauchen sie viel Energie, um Daten innerhalb der Zentrale hin und her zu übertragen. Da die Nachfrage nach Daten exponentiell wächst, steigt der Druck auf Rechenzentren, energieeffizienter zu werden.

Rechenzentren beherbergen Server, leistungsstarke Computer, die über Verbindungen miteinander kommunizieren, d. h. physische Verbindungen, die den Austausch von Daten ermöglichen. Eine Möglichkeit, den Energieverbrauch in Rechenzentren zu senken, besteht darin, Licht zur Kommunikation von Informationen mit elektrisch gesteuerten optischen Schaltern zu verwenden, die den Lichtfluss und damit den Informationsfluss zwischen Servern steuern. Diese optischen Switches müssen multifunktional und energieeffizient sein, um den kontinuierlichen Ausbau von Rechenzentren zu unterstützen.

In einem am 4. Juli online veröffentlichten Papier Natur Nanotechnologieberichtete ein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern der University of Washington über das Design eines energieeffizienten, nichtflüchtigen Schalters auf Siliziumbasis, der Licht durch die Verwendung eines Phasenwechselmaterials und einer Graphenheizung manipuliert.

„Diese Plattform geht wirklich an die Grenzen der Energieeffizienz“, sagte der mitkorrespondierende Autor Arka Majumdar, außerordentlicher Professor für Physik und Elektro- und Computertechnik an der UW sowie Fakultätsmitglied am UW Institute for Nano-Engineered Systems and the Institut für Molekulare & Ingenieurwissenschaften. „Im Vergleich zu dem, was derzeit in Rechenzentren zur Steuerung photonischer Schaltkreise verwendet wird, würde diese Technologie den Energiebedarf von Rechenzentren erheblich reduzieren und sie nachhaltiger und umweltfreundlicher machen.“

Photonische Siliziumschalter werden zum Teil weit verbreitet verwendet, weil sie unter Verwendung gut etablierter Halbleiterherstellungstechniken hergestellt werden können. Traditionell wurden diese Schalter durch thermische Effekte abgestimmt, ein Prozess, bei dem Wärme angewendet wird – häufig durch Hindurchleiten eines Stroms durch ein Metall oder einen Halbleiter – um die optischen Eigenschaften eines Materials im Schalter und damit den Weg des Lichts zu ändern. Dieser Prozess ist jedoch nicht nur nicht energieeffizient, sondern die Veränderungen, die er hervorruft, sind auch nicht dauerhaft. Sobald der Strom entfernt wird, kehrt das Material in seinen vorherigen Zustand zurück und die Verbindung – und der Informationsfluss – wird unterbrochen.

Um dies zu beheben, hat das Team, dem Forscher der Stanford University, des Charles Stark Draper Laboratory, der University of Maryland und des Massachusetts Institute of Technology angehören, einen „set and forget“-Schalter entwickelt, der die Verbindung ohne zusätzliche Energie aufrechterhalten kann. Sie verwendeten ein nichtflüchtiges Phasenwechselmaterial, was bedeutet, dass das Material durch kurzes Erhitzen umgewandelt wird und in diesem Zustand verbleibt, bis es einen weiteren Wärmeimpuls erhält, an dem es in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, ständig Energie einzubringen, um den gewünschten Zustand aufrechtzuerhalten.

Zuvor haben Forscher dotiertes Silizium verwendet, um das Phasenwechselmaterial zu erhitzen. Silizium allein leitet keinen Strom, aber wenn es selektiv mit verschiedenen Elementen wie Phosphor oder Bor dotiert wird, kann Silizium sowohl Strom leiten als auch Licht ohne übermäßige Absorption ausbreiten. Wenn ein Strom durch das dotierte Silizium gepumpt wird, kann es wie eine Heizung wirken, um den Zustand des darauf befindlichen Phasenwechselmaterials umzuschalten. Der Haken an der Sache ist, dass dies auch kein sehr energieeffizienter Prozess ist. Die Energiemenge, die zum Schalten des Phasenwechselmaterials benötigt wird, ist ähnlich der Energiemenge, die von herkömmlichen thermooptischen Schaltern verbraucht wird. Denn die gesamte 220 Nanometer (nm) dicke dotierte Siliziumschicht muss erhitzt werden, um nur 10 nm Phasenwechselmaterial umzuwandeln. Es wird viel Energie verschwendet, um ein so großes Siliziumvolumen zu erhitzen, um ein viel kleineres Volumen an Phasenwechselmaterial zu schalten.

„Uns wurde klar, dass wir herausfinden mussten, wie wir das zu erwärmende Volumen reduzieren konnten, um die Effizienz der Schalter zu steigern“, sagte der leitende und mitkorrespondierende Autor Zhuoran (Roger) Fang, ein UW-Doktorand in Elektrotechnik und Computer Ingenieurwesen.

Ein Ansatz wäre, einen dünneren Siliziumfilm herzustellen, aber Silizium breitet Licht nicht gut aus, wenn es dünner als 200 nm ist. Stattdessen verwendeten sie eine undotierte 220-nm-Siliziumschicht, um Licht auszubreiten, und fügten eine Schicht aus Graphen zwischen dem Silizium und dem Phasenänderungsmaterial ein, um Elektrizität zu leiten. Wie Metall ist Graphen ein ausgezeichneter elektrischer Leiter, aber im Gegensatz zu Metall ist es atomar dünn – es besteht nur aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen, die in einem zweidimensionalen Wabengitter angeordnet sind. Dieses Design eliminiert Energieverschwendung, indem die gesamte vom Graphen erzeugte Wärme auf die Veränderung des Phasenwechselmaterials gerichtet wird. Tatsächlich beträgt die Schaltenergiedichte dieses Aufbaus, die berechnet wird, indem die Schaltenergie dividiert durch das Volumen des zu schaltenden Materials genommen wird, nur 8,7 Attojoule (aJ)/nm3, eine 70-fache Reduzierung im Vergleich zu den weit verbreiteten Dotierungen Siliziumheizungen, der aktuelle Stand der Technik. Dies liegt auch innerhalb einer Größenordnung der fundamentalen Grenze der Schaltenergiedichte (1,2 aJ/nm3).

Obwohl die Verwendung von Graphen zum Leiten von Elektrizität einige optische Verluste verursacht, was bedeutet, dass etwas Licht absorbiert wird, ist Graphen so dünn, dass nicht nur die Verluste minimal sind, sondern das Phasenwechselmaterial immer noch mit dem Licht interagieren kann, das sich in der Siliziumschicht ausbreitet. Das Team stellte fest, dass eine auf Graphen basierende Heizung den Zustand des Phasenwechselmaterials über mehr als 1.000 Zyklen zuverlässig wechseln kann. Dies ist eine bemerkenswerte Verbesserung gegenüber den dotierten Siliziumheizungen, die nur eine Lebensdauer von etwa 500 Zyklen gezeigt haben.

„Selbst 1.000 sind nicht genug“, sagte Majumdar. „Praktisch brauchen wir etwa eine Milliarde Zyklen Ausdauer, an denen wir gerade arbeiten.“

Nachdem sie nun gezeigt haben, dass Licht mit einem Phasenwechselmaterial und einer Graphenheizung gesteuert werden kann, plant das Team zu zeigen, dass diese Schalter für die optische Weiterleitung von Informationen durch ein Netzwerk von Geräten verwendet werden können, ein wichtiger Schritt zur Etablierung ihrer Verwendung in Daten Center. Sie sind auch daran interessiert, diese Technologie auf Siliziumnitrid anzuwenden, um einzelne Photonen für Quantencomputer zu leiten.

„Die Möglichkeit, die optischen Eigenschaften eines Materials mit nur einem atomar dünnen Heizelement abzustimmen, ist bahnbrechend“, sagte Majumdar. „Die außergewöhnliche Leistung unseres Systems in Bezug auf Energieeffizienz und Zuverlässigkeit ist wirklich beispiellos und könnte dazu beitragen, sowohl die Informationstechnologie als auch das Quantencomputing voranzubringen.“

Weitere Co-Autoren sind die UW-Studenten für Elektrotechnik und Computertechnik, Rui Chen, Jiajiu Zheng und Abhi Saxena; Asir Intisar Khan, Kathryn Neilson, Michelle Chen und Eric Pop von der Stanford University; Sarah Geiger, Dennis Callahan und Michael Moebius vom Charles Stark Draper Laboratory; Carlos Rios von der University of Maryland; und Juejun Hu vom Massachusetts Institute of Technology.