Рекордный светодиод с частотой 2,75 гигагерц, разработанный для быстрых и энергоэффективных центров обработки данных

В результате сотрудничества инженерного колледжа Грейнджер Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне и Университета Нотр-Дам был побит мировой рекорд по скорости оптического переключения светодиодов с квантовыми ямами. Устройство micro-LED из нитрида галлия имеет полосу пропускания оптической модуляции 2,75 гигагерц, потребляя при этом всего 25 милливатт электроэнергии. Его конструкция была оптимизирована для обеспечения новой скорости и эффективности каналов связи в центрах обработки данных.

Как сообщает команда исследователей в IEEE Electron Device Letters, это достижение является результатом обширной программы теоретического моделирования и эмпирического тестирования, которая обеспечивает основу для уменьшения использования светодиодных устройств для оптической связи.

Для создания рекордного устройства конструкция была оптимизирована до размера 5 микрометров. Команда надеется, что их разработка значительно повысит скорость и эффективность по сравнению с обычными проводными соединениями и даже оптическими линиями связи на основе лазера для связи на малых расстояниях.

"Девяносто процентов коммуникаций в центрах обработки данных осуществляется на малом расстоянии, то есть менее 10 метров (33 фута)", - сказал ведущий автор исследования, аспирант инженерного факультета Грейнджер из Иллинойса Абдельгани Абуэлнагга. "Стандартно использовать лазеры для высокочастотной связи, необходимой в данном контексте, но лазеры потребляют слишком много энергии. Если мы хотим управлять энергопотреблением в центрах обработки данных, нам нужно рассмотреть оптические средства связи с низким энергопотреблением, такие как светодиоды, и мы покажем, как это сделать".

Это исследование было проведено исследовательскими группами в составе профессоров электротехники и вычислительной техники из Иллинойса Грейнджера Кана Байрама, Питера Драгича и Милтона Фенга, а также профессора электротехники из Нотр-Дама Патрика Фэя.

Чтобы увеличить скорость работы центров обработки данных, было необходимо использовать оптические каналы связи, которые передают информацию с помощью световых импульсов. В отличие от медных проводов, оптические каналы могут передавать данные с очень высокой скоростью или частотой, не испытывая значительных потерь. Для достижения высоких частот без ущерба для точности необходимо использовать строго контролируемый источник света.

До сих пор это означало использование лазеров, но они требуют большого количества энергии и выделяют большое количество тепла. Альтернативой является использование другого строго контролируемого источника света, такого как светодиоды. Чтобы создать устройство, которое было бы не только быстрым, но и оптимизированным для использования в центрах обработки данных, исследователи систематически изучали, как полоса пропускания оптической модуляции — показатель того, насколько быстро микро-светодиод может включаться и выключаться до того, как свет потеряет яркость, — и энергопотребление зависят от размера устройства.

"We systematically shrunk our micro-LEDs down from 100 micrometers to 2 micrometers in diameter, a level of deep scaling that has never been done before," Abouelnagga said. "We found that, contrary to popular belief, smaller is not always better. Our work gives a development roadmap to systematically study the trade-offs between size, bandwidth and power consumption, which shows that the best device is actually the 5-micrometer one."

To fabricate their optimized micro-LED devices, the researchers needed to have a precise understanding of the material imperfections leading to so-called parasitic effects in device performance. Abouelnagga recalls that it was necessary to model the materials and electrical properties in detail beforehand to ensure an optimal design.

The device's performance is a record for quantum well LEDs, the industry-standard design. Certain nonstandard LED designs can operate at higher frequencies, but such designs create unstable, low-intensity light. The researchers believe their 5-micrometer quantum well design is much better suited to data center usage not only for its optical power and bandwidth, but for its extraordinarily low energy consumption and material platform scalability.

"To put the speed and power efficiency in perspective, our micro-LED responds to electrical signals on a gigahertz scale, comparable to computer processors, but consumes just 25 milliwatts of electrical power," Abouelnagga said.

"Of course, processors and optical transmitters perform different functions, but the comparison illustrates how fast this tiny light source can respond with a small power budget. Its 5-micrometer diameter also opens the possibility of arranging many emitters into compact, two-dimensional arrays with each carrying a separate stream of data."

Zetai Liu and Jonathan Wright also contributed to this study.