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科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然
隨著對(duì)數(shù)據(jù)的需求呈指數(shù)增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心面臨越來越大的壓力，要求其提高能效。降低能耗的一種方法是使用光與電控光開關(guān)進(jìn)行通信，控制光的流動(dòng)，從而控制服務(wù)器之間的信息。近日在線發(fā)表于《自然·納米技術(shù)》上的一篇論文中，美國華盛頓大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種節(jié)能的硅基非易失性開關(guān)設(shè)計(jì)，該開關(guān)通過使用相變材料和石墨烯加熱器來控制光。
硅基開關(guān)的藝術(shù)渲染圖。該開關(guān)通過使用相變材料（深藍(lán)色段）和石墨烯加熱器（蜂窩晶格）來控制光。圖片來源: 《自然·納米技術(shù)》
華盛頓大學(xué)研究人員表示，新平臺(tái)突破了能源效率的極限。與目前數(shù)據(jù)中心用于控制光子電路的技術(shù)相比，這項(xiàng)技術(shù)將大大降低數(shù)據(jù)中心的能源需求，使其更具可持續(xù)性和環(huán)保性。
硅光子開關(guān)在通電時(shí)，會(huì)改變其材料的光學(xué)特性，從而改變光的路徑。然而這個(gè)過程不僅不節(jié)能，還不是永久性的：一旦斷電，材料就會(huì)恢復(fù)到以前的狀態(tài)，連接的信息流也會(huì)被破壞。
為解決這個(gè)問題，聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種“一勞永逸”的開關(guān)，能夠在沒有任何額外能量的情況下保持連接。他們使用了一種非揮發(fā)性的相變材料，這意味著該材料通過短暫加熱而發(fā)生轉(zhuǎn)變，并保持狀態(tài)，直到它接收到另一個(gè)熱脈沖才又恢復(fù)到其原始狀態(tài)。
研究團(tuán)隊(duì)此次使用的是未摻雜的220納米硅層來傳播光，并在硅和相變材料之間引入一層石墨烯來導(dǎo)電。這種設(shè)計(jì)通過引導(dǎo)石墨烯產(chǎn)生的熱量來改變相變材料，從而消除了能量浪費(fèi)。
事實(shí)上，這種裝置的轉(zhuǎn)換能量密度（轉(zhuǎn)換能量除以被轉(zhuǎn)換材料的體積）僅為8.7阿托焦耳/立方納米，與當(dāng)前最先進(jìn)的廣泛使用的摻雜硅加熱器相比，僅為其1/70。這也在開關(guān)能量密度的基本極限（1.2阿托焦耳/立方納米）的數(shù)量級(jí)之內(nèi)。
盡管使用石墨烯導(dǎo)電會(huì)引起一些光損失，這意味著一些光被吸收，但石墨烯非常薄，不僅損失最小，而且相變材料仍可與在硅層中傳播的光相互作用。研究團(tuán)隊(duì)確定，基于石墨烯的加熱器能可靠地切換相變材料的狀態(tài)超過1000次循環(huán)，這是一項(xiàng)極其顯著的改進(jìn)。
研究人員表示，僅用一個(gè)原子級(jí)薄的加熱器就能調(diào)整材料的光學(xué)特性，改變了游戲規(guī)則，新系統(tǒng)將有助于推動(dòng)信息技術(shù)和量子計(jì)算的發(fā)展。
關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)中心 一勞永逸
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