微型 LED 創新達成 2.75 GHz 光学調變帯域幅，能耗僅 25 毫瓦

微型 LED は、データセンターにおいて計算システム間で情報を伝送するためのよりエネルギー効率の高い方法を提供することが期待されている。イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校とノートルダム大学の研究者たちは、記録的な光学スイッチ性能を持つ微型 LED を開発した。この装置は 2.75 GHz の光調製帯域幅を実現し、消費電力は僅か 25 毫瓦である。この成果は、短距離光通信のエネルギー需要を削減するのに役立つ可能性がある。データセンターはますます光ベースの接続に依存し、高速で情報を伝送している。しかし、従来の光学発信器は通常レーザーを使用しており、これらのレーザーは大量の電力を消費し、熱を発生させる。

研究者たちは、彼らの設計がこれらの接続に対して高効率の代替案を提供できると信じている。彼らの研究結果は、性能を犠牲にすることなく、より小型の LED の工学設計のための開発ロードマップを確立した。

微型 LED の設計と性能

研究チームは、広く使用されている半導体設計である窒化ガリウム量子井 LED に焦点を当てた。彼らは、装置のサイズがスイッチ速度と電力消費にどのように影響するかを調査した。実験は、100 マイクロメートルからわずか 2 マイクロメートルの微型 LED の直径をカバーした。驚くべきことに、最小の装置は全体的な性能を最適化しなかった。研究者たちは、5 マイクロメートルが帯域幅と消費電力のバランスを取るための最適な直径であると特定した。最適化された装置は 2.75 GHz の光調製帯域幅を実現した。この測定は、LED が電気信号に迅速に応答して光出力を切り替える方法を示している。

この周波数を超えると、光信号は強度を失い、信頼できるデータ伝送には不利になる可能性がある。主著者の Abdelghany Abouelnagga は、チームが小型装置が常により良い性能を発揮するという仮定に挑戦したと述べた。彼らの研究結果は、装置のサイズ、スイッチ速度、エネルギー需要の関係を評価するための体系的なアプローチを提供している。

これらの結果を実現するには、詳細な半導体モデリングも必要である。研究者たちは、寄生効果を引き起こす可能性のある材料欠陥や電気特性を調査した。これらの不要な効果は、スイッチ性能を制限し、効率を低下させる可能性がある。チームは、これらのモデルを利用して製造プロセスを指導し、最終装置を最適化した。その結果は、量子井 LED における光調製帯域幅の記録を示している。

光通信の重要性

光通信は、データセンターが増大する情報量を処理する際にますます重要になっている。光ベースの接続は、比較的小さな信号損失で高周波数でデータを伝送できる。伝送速度が向上するにつれて、銅インターコネクトはより大きな制約に直面している。レーザーは現在、多くの高速光接続を支配している。しかし、これらの電力需要は、すでに大量の電力消費を管理している施設に追加の課題をもたらしている。光学部品が生成する熱も冷却需要を増加させる。Abouelnagga は、約 90% のデータセンター通信が 10 メートル未満の距離を含むと指摘している。

これらの接続は、低消費電力の光発信器から恩恵を受けることができる。新しい微型 LED は、キロヘルツの周波数で電気信号に応答する際に、わずか 25 毫瓦の電力を消費する。その小型化された形状は、密集配置の光発信器をサポートする可能性もある。研究者たちは、複数の微型 LED を二次元配列に配置することを想定している。各発信器は独立した情報フローを運ぶことができ、潜在的にコンパクトなハードウェア内の通信容量を増加させる。

この研究は《IEEE 電子デバイス通信》に発表された。イリノイ州とノートルダム大学の研究者たちは、それぞれの工学部門を通じてこのプロジェクトに協力した。この技術はさらなる開発が必要であるが、その性能は短距離光接続に対して有望な方向性を提供している。より効率的な微型 LED 発信器は、最終的にデータセンターが Qualcomm 信速度を向上させるのを助ける可能性があり、電力を消費するレーザーに完全に依存する必要がなくなるだろう。

微型 LED のデータセンターへの潜在的影響

データセンターが高性能光通信の需要を高める中、微型 LED の革新はエネルギー消費問題を解決する新たなアプローチを提供している。従来のレーザーは高速伝送を提供できるが、その高エネルギー消費と熱生成はデータセンターに課題をもたらす。微型 LED の低消費電力特性と小型設計は、エネルギー消費を削減するだけでなく、より密集した光発信器の配置をサポートし、通信容量をさらに向上させる。これらの技術の発展は、将来のデータセンター設計の重要な要素となり、業界をより持続可能な方向へ推進する可能性がある。