Verileri depolamak, işlemek ve yaymak için ayrılmış alanlar olan veri merkezleri, bulut bilişimden video yayın akışına kadar her şeyi mümkün kılar. Bu süreçte, merkezde ileri geri veri aktarırken büyük miktarda enerji tüketirler. Veriye olan talebin katlanarak artmasıyla, veri merkezlerinin daha enerji verimli hale gelmesi için artan bir baskı var.
Veri merkezleri veri alışverişine izin veren fiziksel bağlantılar aracılığıyla birbirleriyle konuşan yüksek güçlü bilgisayarların, sunucuların evidir. Veri merkezlerinde enerji tüketimini azaltmanın bir yolu, ışık akışını ve dolayısıyla sunucular arasındaki bilgiyi kontrol eden elektrikle kontrol edilen optik anahtarlarla bilgi iletmek için ışık kullanmaktır. Bu optik anahtarların, veri merkezlerinin sürekli genişlemesini desteklemek için çok işlevli ve enerji açısından verimli olması gerekir.
Veri merkezlerinde enerji tüketimini azaltmanın bir yolu, bilgiyi sunucular arasında da iletmek için ışık akışını kontrol eden elektrikle kontrol edilen optik anahtarlar kullanmaktır. Bu optik anahtarların, veri merkezlerinin sürekli genişlemesini desteklemek için çok işlevli ve enerji açısından verimli olması gerekir.
Nature Nanotechnology’de 4 Temmuz’da çevrimiçi olarak yayınlanan bir makalede, Washington Üniversitesi bilim adamları tarafından yönetilen bir ekip, faz değiştiren bir malzeme ve grafen ısıtıcı kullanarak ışığı manipüle eden, enerji verimli, silikon bazlı uçucu olmayan bir anahtarı tasarladıklarını bildirdi.
UW fizik ve elektrik ve bilgisayar mühendisliği doçenti ve aynı zamanda UW Nano-Mühendislik Sistemleri Enstitüsü’nde öğretim üyesi olan ortak yazar Arka Majumdar, “Bu platform enerji verimliliğinin sınırlarını gerçekten zorluyor” dedi. Moleküler ve Mühendislik Bilimleri Enstitüsü. “Şu anda veri merkezlerinde fotonik devreleri kontrol etmek için kullanılanlarla karşılaştırıldığında, bu teknoloji veri merkezlerinin enerji ihtiyaçlarını büyük ölçüde azaltarak onları daha sürdürülebilir ve çevre dostu hale getirecek.”
Silikon fotonik anahtarlar, kısmen iyi kurulmuş yarı iletken üretim teknikleri kullanılarak yapılabildikleri için yaygın olarak kullanılmaktadır. Geleneksel olarak, bu anahtarlar, anahtardaki bir malzemenin optik özelliklerini değiştirmek ve böylece ışığın yolunu değiştirmek için ısının – genellikle bir metal veya yarı iletkenden bir akım geçirerek – uygulandığı bir süreç olan termal etki ile ayarlanmıştır. Bununla birlikte, bu süreç yalnızca enerji açısından verimli değil, aynı zamanda neden olduğu değişiklikler de kalıcı değildir. Akım kesilir kesilmez malzeme önceki durumuna geri döner ve bağlantı – ve bilgi akışı – kopar.
Geleneksel olarak, bu anahtarlar ısının uygulandığı bir süreç-genellikle bir metal veya yarı iletkenden bir akım geçirerek-anahtardaki bir malzemenin optik özelliklerini değiştirmek ve böylece ışığın yolunu termal etki ile değiştirmek üzere ayarlanmıştır. Bununla birlikte, bu süreç yalnızca enerji açısından verimli değil, aynı zamanda neden olduğu değişiklikler de kalıcı değildir. Akım kesilir kesilmez malzeme önceki durumuna geri döner ve bağlantı – ve bilgi akışı – kopar.
Bunları söyleyebilmek için, Stanford Üniversitesi, Charles Stark Draper Laboratuvarı, Maryland Üniversitesi ve Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nden araştırmacıları içeren ekip, herhangi bir ek enerji olmadan bağlantıyı sürdürebilen bir “ayarla ve unut” anahtarı oluşturdu. Uçucu olmayan faz değiştiren bir malzeme kullandılar, yani malzeme kısa bir süre ısıtılarak dönüştürülür ve başka bir ısı darbesi alana kadar bu durumda kalır, yeni darbeyi aldığında orijinal durumuna geri döner. Bu, istenen durumu korumak için sürekli olarak enerji girişi ihtiyacını ortadan kaldırır.
Daha önce araştırmacılar, faz değiştiren malzemeyi ısıtmak için katkılı silikon kullandılar. Silikon tek başına elektriği iletmez, ancak fosfor veya bor gibi farklı elementlerle seçici olarak katkılandığında, silikon hem elektriği iletebilir hem de aşırı emilim olmaksızın ışığı yayabilir. Katkılı silikondan bir akım pompalandığında, üstündeki faz değiştiren malzemenin durumunu değiştirmek için bir ısıtıcı gibi davranabilir.Tuzak; bunun aynı zamanda çok enerji verimli bir süreç olmamasıdır. Faz değiştiren malzemeyi değiştirmek için gereken enerji miktarı, geleneksel termo-optik anahtarların kullandığı enerji miktarına benzer. Bunun nedeni, 220 nanometre (nm) kalınlığında katkılı silikon tabakasının tamamının, yalnızca 10 nm faz değiştiren malzemeyi dönüştürmek için ısıtılması gerektiğidir. Çok daha küçük hacimli faz değiştiren malzemenin faz değiştirmesi için bu kadar büyük bir silikon hacmini ısıtmak çok fazla enerji boşa harcanmasına sebep olur.
Elektrik ve bilgisayar mühendisliği alanında UW doktora öğrencisi olan baş ve yardımcı yazar Zhuoran (Roger) Fang, “Anahtarların verimliliğini artırmak için ısıtılması gereken hacmi nasıl azaltacağımızı bulmamız gerektiğini anladık” dedi.
Bir yaklaşım daha ince bir silikon film yapmak olabilir, ancak silikon 200 nm’den daha inceyse ışığı iyi yaymaz. Bunun yerine, ışığı yaymak için katkısız 220 nm silikon katman kullandılar ve elektriği iletmek için silikon ile faz değiştiren malzeme arasına bir grafen katmanı yerleştirdiler. Metal gibi, grafen de mükemmel bir elektrik iletkenidir, ancak metalden farklı olarak, atomik olarak incedir – iki boyutlu bir petek kafesinde düzenlenmiş sadece tek bir karbon atomu katmanından oluşur. Bu tasarım, grafen tarafından üretilen tüm ısıyı faz değiştiren malzemeyi değiştirmeye yönlendirerek boşa harcanan enerjiyi ortadan kaldırır. Aslında, anahtarlama enerjisinin anahtarlanan malzemenin hacmine bölünmesiyle hesaplanan bu kurulumun anahtarlama enerji yoğunluğu, yalnızca 8,7 attojoule (aJ)/nm3’tür, şu anki son durum, yaygın olarak kullanılan katkılı silikon ısıtıcılara kıyasla 70 kat azalmadır. Bu aynı zamanda anahtarlamalı enerji yoğunluğunun (1.2 aJ/nm3) temel sınırının bir büyüklük mertebesindedir.
Elektriği iletmek için grafen kullanılması bazı optik kayıplara neden olsa da, yani bir miktar ışık emilir, grafen o kadar incedir ki, kayıplar minimum düzeyde olmakla kalmaz, aynı zamanda faz değiştiren malzeme silikon tabakasında yayılan ışıkla etkileşime girebilir. Ekip, grafen bazlı bir ısıtıcının, faz değiştiren malzemenin durumunu 1000 döngüden fazla güvenilir bir şekilde değiştirebileceğini belirledi. Bu, yalnızca yaklaşık 500 devirlik bir dayanıklılığa sahip olduğu gösterilen katkılı silikon ısıtıcılara göre kayda değer bir gelişmedir.
Majumdar, “1000 bile yeterli değil” dedi. “Pratik olarak konuşursak, şu anda üzerinde çalıştığımız yaklaşık bir milyar döngü dayanıklılığa ihtiyacımız var.”
Artık ışığın faz değiştiren bir malzeme ve grafen ısıtıcı kullanılarak kontrol edilebileceğini gösterdiklerine göre, ekip veri merkezlerinde bu anahtarların bir cihaz ağı aracılığıyla bilginin optik olarak yönlendirilmesi için kullanılabileceğini göstermeyi planlıyor. Kuantum hesaplama için tek fotonları yönlendirmek için bu teknolojiyi silikon nitrüre uygulamakla da ilgileniyorlar.
Majumdar, “Bir malzemenin optik özelliklerini yalnızca atomik olarak ince bir ısıtıcıyla ayarlayabilme yeteneği, ezber bozan bir şeydir” dedi. “Sistemimizin enerji verimliliği ve güvenilirlik açısından olağanüstü performansı gerçekten duyulmamış ve hem bilgi teknolojisini hem de kuantum hesaplamayı geliştirmeye yardımcı olabilir.”
Diğer ortak yazarlar arasında UW elektrik ve bilgisayar mühendisliği öğrencileri Rui Chen, Jiajiu Zheng ve Abhi Saxena; Stanford Üniversitesi’nden Asir Intisar Khan, Kathryn Neilson, Michelle Chen ve Eric Pop; Charles Stark Draper Laboratuvarı’ndan Sarah Geiger, Dennis Callahan ve Michael Moebius; Maryland Üniversitesi’nden Carlos Rios; ve Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nden Juejun Hu da bulunuyor.