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数据中心专门用于存储、处理和传播数据的空间可以实现从云计算到视频流的一切。在这个过程中,它们会消耗大量能量在中心内来回传输数据。随着对数据的需求呈指数级增长,数据中心提高能效的压力越来越大。


数据中心包含服务器,即通过互连相互通信的高性能计算机,互连是允许数据交换的物理连接。降低数据中心能耗的一种方法是使用光与电控光学开关通信信息,控制服务器之间的光流,从而控制信息。这些光开关需要具有多功能和能效,以支持数据中心的持续扩展。


在7月4日在线发表在《自然纳米技术》上的一篇论文中,华盛顿大学科学家领导的一个团队报告了一种高效节能的硅基非挥发性开关的设计,该开关通过使用相变材料和石墨烯加热器来操纵光。


“这个平台确实推动了能效的极限,与目前数据中心用于控制光子电路的技术相比,这项技术将大大减少数据中心的能源需求,使其更加可持续和环保。”联合通讯作者Arka Majumdar说,Arka Majumdar是华盛顿大学物理学、电气和计算机工程副教授,也是华盛顿大学纳米工程系统研究所和分子与工程科学研究所的教员。

硅光子开关之所以被广泛使用,部分原因是它们可以使用成熟的半导体制造技术制造。传统上,这些开关是通过热效应进行调谐的,热效应是一种通常通过电流通过金属或半导体来施加热量的过程,以改变开关中材料的光学特性,从而改变光的路径。然而,这一过程不仅不节能,而且它引起的变化也不是永久性的。一旦电流被消除,材料就会恢复到以前的状态,信息的连接和流动就会中断。


为了解决这个问题,该团队包括斯坦福大学、查尔斯·斯塔克·德雷珀实验室、马里兰大学和麻省理工学院的研究人员,他们发明了一种“置而忘”开关,能够在没有任何额外能量的情况下保持连接。他们使用了一种不易挥发的相变材料,这意味着材料通过短暂加热进行转化,并保持该状态,直到接收到另一个热脉冲,在这一点上它恢复到其原始状态。这消除了持续输入能量以保持所需状态的需要。


此前,研究人员已经使用掺杂硅来加热相变材料。硅本身不导电,但当选择性地掺杂磷或硼等不同元素时,硅既能导电又能传播光,没有任何过度吸收。当电流被泵入掺杂硅时,它可以像加热器一样切换顶部相变材料的状态。问题是,这也不是一个非常节能的过程。切换相变材料所需的能量量与传统热光开关所使用的能量量相似。这是因为整个220纳米(nm)厚的掺杂硅层必须加热,以仅转换10纳米的相变材料。将如此大体积的硅加热到更小体积的相变材料,会浪费大量能量。

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“我们意识到,我们必须找出如何减少需要加热的体积,以提高开关的效率。”该研究负责人兼合著者、华盛顿大学电气和计算机工程博士生卓兰(罗杰)方说。


一种方法是制备更薄的硅薄膜,但如果硅的厚度小于200纳米,则不能很好地传播光。因此,他们使用未掺杂的220纳米硅层来传播光,并在硅和相变材料之间引入一层石墨烯来导电。与金属一样,石墨烯是一种优秀的导电材料,但与金属不同,石墨烯的原子厚度很薄,它仅由一层碳原子组成,这些碳原子排列在二维蜂窝状晶格中。这种设计通过引导石墨烯产生的所有热量用于改变相变材料来消除浪费的能量。事实上,该装置的开关能量密度(通过将开关能量除以被开关材料的体积来计算)仅为8.7阿焦(aJ)/nm3,与目前最先进的广泛使用的掺杂硅加热器相比减少了70倍。这也在开关能量密度基本极限(1.2 aJ/nm3)的一个数量级内。


即使使用石墨烯导电会导致一些光学损耗,即一些光被吸收,但石墨烯非常薄,不仅损耗最小,而且相变材料仍然可以与在硅层中传播的光相互作用。该团队确定,基于石墨烯的加热器可以可靠地将相变材料的状态切换1000多次。与掺杂硅加热器相比,这是一个显著的改进,掺杂硅加热器仅具有约500个循环的耐久性。


即使是1000人也不够,实际上,我们需要大约10亿个循环的耐久性,我们目前正在进行研究。


既然他们已经证明可以使用相变材料和石墨烯加热器来控制光,该团队计划展示这些开关可以用于通过设备网络的信息光路由,这是在数据中心建立其使用的关键一步。他们还对将该技术应用于氮化硅以路由单光子用于量子计算感兴趣。


Majumdar说:“仅仅用一个原子级薄加热器就能调节材料的光学特性,这一能力改变了游戏规则。我们的系统在能效和可靠性方面的卓越性能确实闻所未闻,可能有助于推进信息技术和量子计算。”


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