ابتكار ميكرو LED يحقق عرض نطاق تعديل ضوئي يبلغ 2.75 GHz، واستهلاك طاقة يبلغ 25 مللي واط

تعتبر ميكرو LED واعدة لتوفير طرق أكثر كفاءة في استخدام الطاقة لمراكز البيانات لنقل المعلومات بين أنظمة الحوسبة. طور باحثون من جامعة إلينوي في أوربانا-شامبين وجامعة نوتردام نوعًا من ميكرو LED يتمتع بأداء قياسي في مفتاح الضوء. حقق هذا الجهاز عرض نطاق تعديل ضوئي يبلغ 2.75 GHz، ويستهلك فقط 25 مللي واط من الطاقة. قد يساعد هذا الإنجاز في تقليل الطلب على الطاقة في الاتصالات الضوئية قصيرة المدى. تعتمد مراكز البيانات بشكل متزايد على الاتصالات الضوئية لنقل المعلومات بسرعات عالية. ومع ذلك، فإن أجهزة الإرسال الضوئي التقليدية غالبًا ما تستخدم الليزر، التي تستهلك كميات كبيرة من الطاقة وتولد حرارة.

يعتقد الباحثون أن تصميمهم يمكن أن يوفر بديلاً فعالًا لهذه الاتصالات. كما أن نتائج دراستهم وضعت خارطة طريق لتصميم LED أصغر دون التضحية بالأداء.

تصميم وأداء ميكرو LED

ركز فريق البحث على LED من نيتريد الغاليوم، وهو تصميم شبه موصل مستخدم على نطاق واسع. قاموا بدراسة كيفية تأثير حجم الجهاز على سرعة التبديل واستهلاك الطاقة. شملت التجارب أقطار ميكرو LED تتراوح من 100 ميكرون إلى 2 ميكرون فقط. من المدهش أن أصغر جهاز لم يقدم أفضل أداء شامل. حدد الباحثون أن 5 ميكرونات هي القطر الأمثل لتحقيق توازن بين عرض النطاق واستهلاك الطاقة. حقق الجهاز المحسن عرض نطاق تعديل ضوئي يبلغ 2.75 GHz. تشير هذه القياسات إلى كيفية استجابة LED بسرعة للإشارات الكهربائية لتغيير خرج الضوء.

عند تجاوز هذه الترددات، قد تفقد الإشارات الضوئية قوتها وتصبح غير مواتية لنقل البيانات بشكل موثوق. قال المؤلف الرئيسي عبد الغني أبو النجا إن الفريق تحدى الافتراض القائل بأن الأجهزة الصغيرة دائمًا ما تؤدي بشكل أفضل. توفر نتائج دراستهم نهجًا منهجيًا لتقييم العلاقة بين حجم الجهاز وسرعة التبديل واحتياجات الطاقة.

تحقيق هذه النتائج يتطلب أيضًا نمذجة دقيقة للمواد شبه الموصلة. فحص الباحثون العيوب المادية والخصائص الكهربائية التي قد تؤدي إلى تأثيرات غير مرغوب فيها. يمكن أن تحد هذه التأثيرات غير الضرورية من أداء التبديل وتقلل من الكفاءة. استخدم الفريق هذه النماذج لتوجيه عملية التصنيع وتحسين الجهاز النهائي. تمثل نتائجهم سجل عرض نطاق تعديل ضوئي في LED من نوع الكم.

أهمية الاتصالات الضوئية

تزداد أهمية الاتصالات الضوئية مع معالجة مراكز البيانات للكم المتزايد من المعلومات. يمكن أن تنقل الاتصالات الضوئية البيانات بترددات عالية مع فقدان إشارة نسبي صغير. مع زيادة سرعات النقل، تواجه التوصيلات النحاسية قيودًا أكبر. تهيمن الليزر حاليًا على العديد من الاتصالات الضوئية عالية السرعة. ومع ذلك، فإن احتياجاتها من الطاقة تمثل تحديًا إضافيًا للمرافق التي تدير بالفعل استهلاكًا كبيرًا للطاقة. كما أن الحرارة الناتجة عن المكونات الضوئية تزيد من متطلبات التبريد. أشار أبو النجا إلى أن حوالي 90% من اتصالات مراكز البيانات تتضمن مسافات أقل من 10 أمتار.

يمكن أن تستفيد هذه الاتصالات من أجهزة إرسال ضوئية منخفضة الطاقة. تستهلك ميكرو LED الجديدة 25 مللي واط فقط من الطاقة عند الاستجابة لإشارات كهربائية بترددات كيلوهرتز. قد يدعم شكلها المصغر أيضًا ترتيبًا كثيفًا لأجهزة الإرسال الضوئية. يتصور الباحثون وضع عدة ميكرو LED في مصفوفة ثنائية الأبعاد. يمكن لكل جهاز إرسال نقل تدفق معلومات مستقل، مما يزيد من سعة الاتصالات داخل الأجهزة المدمجة.

نُشرت هذه الدراسة في مجلة IEEE Transactions on Electron Devices. تعاون باحثون من إلينوي وجامعة نوتردام في هذا المشروع من خلال أقسام الهندسة الخاصة بهم. على الرغم من أن هذه التقنية لا تزال بحاجة إلى مزيد من التطوير، إلا أن أدائها يوفر اتجاهًا واعدًا للاتصالات الضوئية قصيرة المدى. قد تساعد أجهزة إرسال ميكرو LED الأكثر كفاءة في النهاية مراكز البيانات على زيادة سرعة Qualcomm دون الاعتماد بالكامل على الليزر المستهلكة للطاقة.

التأثير المحتمل لميكرو LED على مراكز البيانات

مع تزايد الطلب على الاتصالات الضوئية عالية الأداء في مراكز البيانات، يوفر ابتكار ميكرو LED أفكارًا جديدة لمعالجة مشكلة استهلاك الطاقة. على الرغم من أن الليزر التقليدية يمكن أن توفر نقلًا عالي السرعة، إلا أن استهلاكها العالي للطاقة وإنتاج الحرارة يمثلان تحديات لمراكز البيانات. تتمتع ميكرو LED بخصائص استهلاك طاقة منخفضة وتصميم مصغر، مما يقلل من استهلاك الطاقة ويدعم ترتيبًا أكثر كثافة لأجهزة الإرسال الضوئية، مما يعزز سعة الاتصالات. قد يصبح تطوير هذه التقنية جزءًا مهمًا من تصميم مراكز البيانات المستقبلية، مما يدفع الصناعة نحو اتجاه أكثر استدامة.