Les centres de données, des espaces dédiés au stockage, au traitement et à la diffusion des données, permettent tout, du cloud computing au streaming vidéo. Dans le processus, ils consomment une grande quantité d’énergie en transférant des données dans les deux sens à l’intérieur du centre. Avec la croissance exponentielle de la demande de données, les centres de données sont de plus en plus pressés de devenir plus économes en énergie.
Les centres de données hébergent des serveurs, des ordinateurs puissants qui communiquent entre eux via des interconnexions, qui sont des connexions physiques permettant l’échange de données. Une façon de réduire la consommation d’énergie dans les centres de données consiste à utiliser la lumière pour communiquer des informations avec des commutateurs optiques à commande électrique contrôlant le flux de lumière, et donc d’informations, entre les serveurs. Ces commutateurs optiques doivent être multifonctionnels et économes en énergie pour prendre en charge l’expansion continue des centres de données.
Dans un article publié en ligne le 4 juillet dans Nanotechnologie de la natureune équipe dirigée par des scientifiques de l’Université de Washington a rapporté la conception d’un interrupteur non volatil à base de silicium économe en énergie qui manipule la lumière grâce à l’utilisation d’un matériau à changement de phase et d’un réchauffeur de graphène.
« Cette plate-forme repousse vraiment les limites de l’efficacité énergétique », a déclaré l’auteur co-correspondant Arka Majumdar, professeur agrégé de physique et de génie électrique et informatique à l’UW, ainsi que membre du corps professoral de l’UW Institute for Nano-Engineered Systems et du Institut des sciences moléculaires et de l’ingénierie. « Par rapport à ce qui est actuellement utilisé dans les centres de données pour contrôler les circuits photoniques, cette technologie réduirait considérablement les besoins énergétiques des centres de données, les rendant plus durables et respectueux de l’environnement. »
Les commutateurs photoniques au silicium sont largement utilisés en partie parce qu’ils peuvent être fabriqués à l’aide de techniques de fabrication de semi-conducteurs bien établies. Traditionnellement, ces commutateurs ont été réglés par effet thermique, un processus où la chaleur est appliquée – souvent en faisant passer un courant à travers un métal ou un semi-conducteur – pour modifier les propriétés optiques d’un matériau dans le commutateur et ainsi modifier le trajet de la lumière. Or, non seulement ce procédé n’est pas économe en énergie, mais les changements qu’il induit ne sont pas permanents. Dès que le courant est coupé, le matériel revient à son état antérieur et la connexion – et le flux d’informations – est rompu.
Pour résoudre ce problème, l’équipe, qui comprend des chercheurs de l’Université de Stanford, du laboratoire Charles Stark Draper, de l’Université du Maryland et du Massachusetts Institute of Technology, a créé un interrupteur « set and forget » capable de maintenir la connexion sans aucune énergie supplémentaire. Ils ont utilisé un matériau à changement de phase non volatil, ce qui signifie que le matériau est transformé en le chauffant brièvement, et il reste dans cet état jusqu’à ce qu’il reçoive une autre impulsion de chaleur, moment auquel il revient à son état d’origine. Cela élimine le besoin d’apporter constamment de l’énergie pour maintenir l’état souhaité.
Auparavant, les chercheurs utilisaient du silicium dopé pour chauffer le matériau à changement de phase. Le silicium seul ne conduit pas l’électricité, mais lorsqu’il est dopé sélectivement avec différents éléments comme le phosphore ou le bore, le silicium est capable à la fois de conduire l’électricité et de propager la lumière sans aucune absorption excessive. Lorsqu’un courant est pompé à travers le silicium dopé, il peut agir comme un élément chauffant pour commuter l’état du matériau à changement de phase au-dessus de celui-ci. Le hic, c’est que ce n’est pas non plus un processus très économe en énergie. La quantité d’énergie nécessaire pour commuter le matériau à changement de phase est similaire à la quantité d’énergie utilisée par les commutateurs thermo-optiques traditionnels. En effet, toute la couche de silicium dopé de 220 nanomètres (nm) d’épaisseur doit être chauffée pour transformer seulement 10 nm de matériau à changement de phase. Beaucoup d’énergie est gaspillée à chauffer un si grand volume de silicium pour commuter un volume beaucoup plus petit de matériau à changement de phase.
« Nous avons réalisé que nous devions trouver un moyen de réduire le volume qui devait être chauffé afin d’augmenter l’efficacité des commutateurs », a déclaré l’auteur principal et co-correspondant Zhuoran (Roger) Fang, doctorant à l’UW en électricité et informatique. ingénierie.
Une approche consisterait à fabriquer un film de silicium plus fin, mais le silicium ne propage pas bien la lumière s’il est plus fin que 200 nm. Ainsi, à la place, ils ont utilisé une couche de silicium non dopée de 220 nm pour propager la lumière et ont introduit une couche de graphène entre le silicium et le matériau à changement de phase pour conduire l’électricité. Comme le métal, le graphène est un excellent conducteur d’électricité, mais contrairement au métal, il est atomiquement mince – il se compose d’une seule couche d’atomes de carbone disposés dans un réseau en nid d’abeille bidimensionnel. Cette conception élimine le gaspillage d’énergie en dirigeant toute la chaleur générée par le graphène vers le changement de matériau à changement de phase. En fait, la densité d’énergie de commutation de cette configuration, qui est calculée en prenant l’énergie de commutation divisée par le volume du matériau commuté, n’est que de 8,7 attojoules (aJ)/nm3, soit une réduction de 70 fois par rapport au dopé largement utilisé. radiateurs en silicone, l’état de l’art actuel. Ceci est également dans un ordre de grandeur de la limite fondamentale de la densité d’énergie de commutation (1,2 aJ/nm3).
Même si l’utilisation de graphène pour conduire l’électricité induit des pertes optiques, ce qui signifie qu’une partie de la lumière est absorbée, le graphène est si mince que non seulement les pertes sont minimes, mais le matériau à changement de phase peut toujours interagir avec la lumière se propageant dans la couche de silicium. L’équipe a établi qu’un élément chauffant à base de graphène peut commuter de manière fiable l’état du matériau à changement de phase sur plus de 1 000 cycles. Il s’agit d’une amélioration notable par rapport aux éléments chauffants en silicium dopé, qui n’ont montré qu’une endurance d’environ 500 cycles.
« Même 1 000 ne suffisent pas », a déclaré Majumdar. « En pratique, nous avons besoin d’environ un milliard de cycles d’endurance, sur lesquels nous travaillons actuellement. »
Maintenant qu’ils ont démontré que la lumière peut être contrôlée à l’aide d’un matériau à changement de phase et d’un chauffage au graphène, l’équipe prévoit de montrer que ces commutateurs peuvent être utilisés pour le routage optique d’informations à travers un réseau d’appareils, une étape clé vers l’établissement de leur utilisation dans centres de données. Ils s’intéressent également à l’application de cette technologie au nitrure de silicium pour le routage de photons uniques pour l’informatique quantique.
« La capacité de pouvoir ajuster les propriétés optiques d’un matériau avec juste un élément chauffant atomiquement mince change la donne », a déclaré Majumdar. « Les performances exceptionnelles de notre système en termes d’efficacité énergétique et de fiabilité sont vraiment inédites et pourraient faire progresser à la fois les technologies de l’information et l’informatique quantique. »
Les co-auteurs supplémentaires incluent les étudiants en génie électrique et informatique de l’UW Rui Chen, Jiajiu Zheng et Abhi Saxena; Asir Intisar Khan, Kathryn Neilson, Michelle Chen et Eric Pop de l’Université de Stanford ; Sarah Geiger, Dennis Callahan et Michael Moebius du laboratoire Charles Stark Draper ; Carlos Rios de l’Université du Maryland ; et Juejun Hu du Massachusetts Institute of Technology.
Zhuoran Fang et al, Photonique au silicium non volatile programmable à ultra-basse énergie basée sur des matériaux à changement de phase avec des éléments chauffants en graphène, Nanotechnologie de la nature (2022). DOI : 10.1038/s41565-022-01153-w