ศูนย์ข้อมูล — พื้นที่เฉพาะสำหรับการจัดเก็บ ประมวลผล และเผยแพร่ข้อมูล — เปิดใช้งานทุกอย่างตั้งแต่คลาวด์คอมพิวติ้งไปจนถึงการสตรีมวิดีโอ ในกระบวนการนี้ ใช้พลังงานจำนวนมากในการถ่ายโอนข้อมูลไปมาภายในศูนย์ ด้วยความต้องการข้อมูลที่เพิ่มขึ้นอย่างทวีคูณ มีแรงกดดันเพิ่มขึ้นสำหรับศูนย์ข้อมูลในการประหยัดพลังงานมากขึ้น
ศูนย์ข้อมูลเป็นบ้านของเซิร์ฟเวอร์ คอมพิวเตอร์กำลังสูงที่พูดคุยกันผ่านการเชื่อมต่อถึงกัน ซึ่งเป็นการเชื่อมต่อทางกายภาพที่ช่วยให้สามารถแลกเปลี่ยนข้อมูลได้ วิธีหนึ่งในการลดการใช้พลังงานในศูนย์ข้อมูลคือการใช้แสงเพื่อสื่อสารข้อมูลด้วยสวิตช์ออปติคัลที่ควบคุมด้วยไฟฟ้าซึ่งควบคุมการไหลของแสงและข้อมูลระหว่างเซิร์ฟเวอร์ สวิตช์ออปติคัลเหล่านี้จำเป็นต้องใช้งานได้หลากหลายและประหยัดพลังงานเพื่อรองรับการขยายศูนย์ข้อมูลอย่างต่อเนื่อง
ใน บทความ ที่ ตีพิมพ์ออนไลน์ในวันที่ 4 กรกฎาคมใน Nature Nanotechnologyทีมงานที่นำโดยนักวิทยาศาสตร์ของ University of Washington ได้รายงานถึงการออกแบบสวิตช์ประหยัดพลังงานที่ใช้พลังงานจากซิลิคอน ซึ่งควบคุมแสงผ่านการใช้วัสดุเปลี่ยนเฟสและเครื่องทำความร้อนแบบกราฟีน .
Arka Majumdarผู้เขียนร่วมของ UW รองศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์และวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ของ UW กล่าวว่า “แพลตฟอร์มนี้ผลักดันขีดจำกัดของประสิทธิภาพการใช้พลังงานอย่างแท้จริง” รวมถึงคณาจารย์ของ UW Institute for Nano-Engineered Systems และ สถาบันวิทยาศาสตร์โมเลกุลและวิศวกรรมศาสตร์ . “เมื่อเทียบกับสิ่งที่ถูกใช้ในศูนย์ข้อมูลในปัจจุบันเพื่อควบคุมวงจรโฟโตนิก เทคโนโลยีนี้จะช่วยลดความต้องการด้านพลังงานของศูนย์ข้อมูลได้อย่างมาก ทำให้มีความยั่งยืนและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้น”
สวิตช์ซิลิกอนโฟโตนิกมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในส่วนหนึ่งเนื่องจากสามารถทำได้โดยใช้เทคนิคการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่มีชื่อเสียง ตามเนื้อผ้า สวิตช์เหล่านี้ได้รับการปรับผ่านเอฟเฟกต์ความร้อน ซึ่งเป็นกระบวนการที่ใช้ความร้อน ซึ่งมักจะผ่านกระแสผ่านโลหะหรือเซมิคอนดักเตอร์ เพื่อเปลี่ยนคุณสมบัติทางแสงของวัสดุในสวิตช์และทำให้เส้นทางของแสงเปลี่ยนไป อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้ไม่เพียงแต่ไม่ประหยัดพลังงานเท่านั้น แต่การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นจะไม่ถาวร ทันทีที่กระแสไฟถูกลบออก วัสดุจะเปลี่ยนกลับเป็นสถานะก่อนหน้าและการเชื่อมต่อ — และการไหลของข้อมูล — จะขาด
เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ทีมงานซึ่งรวมถึงนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด, ห้องทดลอง Charles Stark Draper, มหาวิทยาลัยแมริแลนด์ และสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ ได้สร้างสวิตช์ “set and forget” ที่สามารถรักษาการเชื่อมต่อได้โดยไม่ต้องใช้พลังงานเพิ่มเติม พวกเขาใช้วัสดุเปลี่ยนเฟสที่ไม่ระเหย ซึ่งหมายความว่าวัสดุจะถูกเปลี่ยนโดยการให้ความร้อนชั่วครู่ และจะยังคงอยู่ในสถานะนั้นจนกว่าจะได้รับพัลส์ความร้อนอีกครั้ง จากนั้นจึงเปลี่ยนกลับเป็นสถานะเดิม ทำให้ไม่จำเป็นต้องป้อนพลังงานอย่างต่อเนื่องเพื่อรักษาสถานะที่ต้องการ
ก่อนหน้านี้ นักวิจัยได้ใช้ซิลิโคนเจือเพื่อให้ความร้อนกับวัสดุเปลี่ยนเฟส ซิลิคอนเพียงอย่างเดียวไม่นำไฟฟ้า แต่เมื่อเจือด้วยองค์ประกอบต่างๆ เช่น ฟอสฟอรัสหรือโบรอน ซิลิคอนสามารถนำไฟฟ้าและกระจายแสงได้โดยไม่ดูดซับมากเกินไป เมื่อกระแสถูกสูบผ่านซิลิกอนเจือ มันสามารถทำหน้าที่เป็นตัวทำความร้อนเพื่อเปลี่ยนสถานะของวัสดุเปลี่ยนเฟสที่อยู่ด้านบน สิ่งที่จับได้ก็คือนี่ไม่ใช่กระบวนการที่ประหยัดพลังงานเช่นกัน ปริมาณพลังงานที่จำเป็นในการเปลี่ยนวัสดุเปลี่ยนเฟสจะใกล้เคียงกับปริมาณพลังงานที่ใช้โดยสวิตช์เทอร์โมออปติกแบบดั้งเดิม ทั้งนี้เนื่องจากชั้นซิลิกอนเจือหนา 220 นาโนเมตร (นาโนเมตร) ทั้งหมดต้องถูกทำให้ร้อนเพื่อเปลี่ยนวัสดุเปลี่ยนเฟสเพียง 10 นาโนเมตร
Zhuoran (Roger) Fang นักศึกษาปริญญาเอกสาขาไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์กล่าวว่า “เราตระหนักว่าเราต้องหาวิธีลดปริมาตรที่ต้องให้ความร้อนเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของสวิตช์” วิศวกรรม.
วิธีหนึ่งคือการสร้างฟิล์มซิลิกอนที่บางกว่า แต่ซิลิคอนจะไม่กระจายแสงได้ดีหากบางกว่า 200 นาโนเมตร ดังนั้นพวกเขาจึงใช้ชั้นซิลิกอน 220 นาโนเมตรที่ไม่ได้เจือปนเพื่อกระจายแสงและแนะนำชั้นของกราฟีนระหว่างซิลิกอนและวัสดุเปลี่ยนเฟสเพื่อนำไฟฟ้า เช่นเดียวกับโลหะ กราฟีนเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม แต่ไม่เหมือนโลหะตรงที่บางเป็นอะตอม ประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนเพียงชั้นเดียวที่จัดเรียงเป็นโครงรังผึ้งสองมิติ การออกแบบนี้ช่วยขจัดพลังงานที่สูญเปล่าโดยนำความร้อนทั้งหมดที่เกิดจากกราฟีนไปสู่การเปลี่ยนวัสดุเปลี่ยนเฟส อันที่จริง ความหนาแน่นของพลังงานสวิตชิ่งของการตั้งค่านี้ ซึ่งคำนวณโดยนำพลังงานสวิตชิ่งมาหารด้วยปริมาตรของวัสดุที่กำลังสลับ มีค่าเพียง 8.7 attojoules (aJ)/nm 3ลดลง 70 เท่าเมื่อเทียบกับฮีตเตอร์ซิลิกอนเจือที่ใช้กันอย่างแพร่หลายซึ่งล้ำสมัยในปัจจุบัน นี่ยังอยู่ในหนึ่งลำดับความสำคัญของขีดจำกัดพื้นฐานของความหนาแน่นของพลังงานสวิตชิ่ง (1.2 aJ/nm 3 )
แม้ว่าการใช้กราฟีนในการนำไฟฟ้าจะทำให้เกิดการสูญเสียแสง ซึ่งหมายความว่าแสงบางส่วนถูกดูดซับ กราฟีนมีความบางมาก ซึ่งไม่เพียงแต่การสูญเสียจะน้อยที่สุดเท่านั้น แต่วัสดุเปลี่ยนเฟสยังสามารถโต้ตอบกับการแพร่กระจายของแสงในชั้นซิลิกอนได้ ทีมงานพบว่าเครื่องทำความร้อนที่ใช้กราฟีนสามารถเปลี่ยนสถานะของวัสดุเปลี่ยนเฟสได้อย่างน่าเชื่อถือมากกว่า 1,000 รอบ นี่คือการปรับปรุงที่โดดเด่นเหนือเครื่องทำความร้อนซิลิกอนเจือปน ซึ่งแสดงให้เห็นว่ามีความทนทานเพียงประมาณ 500 รอบเท่านั้น
“แม้แต่ 1,000 ก็ไม่เพียงพอ” มาจุมดาร์กล่าว “ในทางปฏิบัติ เราต้องการความอดทนประมาณหนึ่งพันล้านรอบ ซึ่งเรากำลังดำเนินการอยู่”
ตอนนี้พวกเขาได้แสดงให้เห็นว่าสามารถควบคุมแสงได้โดยใช้วัสดุเปลี่ยนเฟสและเครื่องทำความร้อนด้วยกราฟีน ทีมงานวางแผนที่จะแสดงให้เห็นว่าสวิตช์เหล่านี้สามารถใช้สำหรับการกำหนดเส้นทางข้อมูลแบบออปติคัลผ่านเครือข่ายของอุปกรณ์ ซึ่งเป็นขั้นตอนสำคัญในการกำหนดการใช้งาน ศูนย์ข้อมูล พวกเขายังสนใจที่จะใช้เทคโนโลยีนี้กับซิลิกอนไนไตรด์เพื่อกำหนดเส้นทางโฟตอนเดี่ยวสำหรับการคำนวณควอนตัม
“ความสามารถในการปรับแต่งคุณสมบัติทางแสงของวัสดุด้วยเครื่องทำความร้อนที่บางเพียงอะตอมเท่านั้นที่เป็นตัวเปลี่ยนเกม” Majumdar กล่าว “ประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมของระบบของเราในแง่ของประสิทธิภาพการใช้พลังงานและความน่าเชื่อถือนั้นไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อน และสามารถช่วยพัฒนาทั้งเทคโนโลยีสารสนเทศและการคำนวณควอนตัม”
ผู้เขียนร่วมเพิ่มเติม ได้แก่ นักศึกษาวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ UW Rui Chen, Jiajiu Zheng และ Abhi Saxena; Asir Intisar Khan, Kathryn Neilson, Michelle Chen และ Eric Pop จากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด; Sarah Geiger, Dennis Callahan และ Michael Moebius จากห้องปฏิบัติการ Charles Stark Draper; Carlos Rios จากมหาวิทยาลัยแมริแลนด์; และ Juejun Hu จากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ งานวิจัยนี้ได้รับทุนจาก National Science Foundation, DARPA, ONR, Draper Labs และ Intel Labs
