Mikro-LED z rekordem 2,75 GHz ma przyspieszyć centra danych

Naukowcy z University of Illinois Urbana-Champaign i University of Notre Dame pobili rekord szybkości przełączania w diodach LED ze studniami kwantowymi. Ich mikro-LED z azotku galu osiąga pasmo modulacji optycznej 2,75 GHz, a pobiera przy tym zaledwie 25 miliwatów mocy. Urządzenie zaprojektowano z myślą o szybkich i oszczędnych łączach w centrach danych.

Dlaczego światło zamiast kabli

Aby centra danych działały szybciej, informacje coraz częściej przesyła się impulsami światła. Łącza optyczne, w odróżnieniu od miedzianych przewodów, mogą pracować z bardzo wysokimi częstotliwościami bez znaczących strat. Potrzebne jest do tego precyzyjnie sterowane źródło światła.

Dotychczas oznaczało to zwykle lasery. Mają jednak wadę: zużywają dużo energii i wydzielają sporo ciepła. Alternatywą są diody LED, które mogą być znacznie oszczędniejsze, o ile uda się je przyspieszyć do odpowiednich parametrów.

Mniejsza dioda nie zawsze znaczy lepsza

Zespół systematycznie badał, jak zmieniają się pasmo modulacji (czyli to, jak szybko dioda może się włączać i wyłączać, zanim światło straci jasność) oraz pobór mocy w zależności od rozmiaru urządzenia. Średnicę mikro-LED zmniejszano od 100 do 2 mikrometrów, co według autorów nigdy wcześniej nie zostało zrobione na tak dużą skalę.

Wniosek jest nieoczywisty. Jak podkreśla główny autor badania, doktorant Abdelghany Abouelnagga: „wbrew powszechnemu przekonaniu mniejsze nie zawsze znaczy lepsze”. Najlepsze okazało się urządzenie o średnicy 5 mikrometrów. Aby je zaprojektować, trzeba było dokładnie zamodelować materiał i jego właściwości elektryczne oraz zrozumieć niedoskonałości odpowiadające za tzw. efekty pasożytnicze.

• średnica optymalnego urządzenia: 5 mikrometrów,
• pasmo modulacji optycznej: 2,75 GHz,
• pobór mocy elektrycznej: 25 mW,
• zakres badanych rozmiarów: od 100 do 2 mikrometrów.

Wynik jest rekordem dla diod ze studniami kwantowymi, czyli standardowej w przemyśle konstrukcji. Niektóre niestandardowe projekty LED pracują z wyższymi częstotliwościami, ale dają niestabilne światło o niskim natężeniu. Badacze uważają, że ich rozwiązanie lepiej nadaje się do centrów danych także dzięki niskiemu zużyciu energii i możliwości skalowania materiału.

Co to oznacza w praktyce

Według autorów aż 90 proc. komunikacji w centrach danych odbywa się na krótkich dystansach, poniżej 10 metrów. To właśnie tam mikro-LED-y mogłyby zastąpić zarówno klasyczne połączenia przewodowe, jak i łącza laserowe. Niewielka średnica otwiera też drogę do upakowania wielu emiterów w zwartych, dwuwymiarowych matrycach, z których każdy przesyłałby osobny strumień danych.

Dla polskiego czytelnika to na razie wiadomość o badaniach laboratoryjnych, a nie o produkcie, który trafi do sprzedaży. Warto ją jednak śledzić, bo zapotrzebowanie na energię w centrach danych rośnie wraz z rozwojem usług chmurowych i sztucznej inteligencji, a kwestia zużycia prądu dotyczy także centrów działających w Polsce i całej Unii Europejskiej. Każde rozwiązanie obniżające pobór mocy przy transmisji danych może w przyszłości przełożyć się na niższe koszty i mniejszy ślad energetyczny takich obiektów.

Trzeba jednak zachować ostrożność: opisano pojedyncze urządzenie i jego parametry, a droga od wyniku badawczego do masowego wdrożenia bywa długa. Praca ukazała się w czasopiśmie IEEE Electron Device Letters.

Źródło: Tech Xplore – „Record-setting 2.75 gigahertz LED designed for fast, energy-efficient data centers”