控制光，进而控制信息：“一劳永逸”开关大幅降低数据中心能耗

科技日报记者 张梦然

随着对数据的需求呈指数增长，数据中心面临越来越大的压力，要求其提高能效。降低能耗的一种方法是使用光与电控光开关进行通信，控制光的流动，从而控制服务器之间的信息。近日在线发表于《自然·纳米技术》上的一篇论文中，美国华盛顿大学领导的联合研究团队报告了一种节能的硅基非易失性开关设计，该开关通过使用相变材料和石墨烯加热器来控制光。

硅基开关的艺术渲染图。该开关通过使用相变材料（深蓝色段）和石墨烯加热器（蜂窝晶格）来控制光。
图片来源: 《自然·纳米技术》

华盛顿大学研究人员表示，新平台突破了能源效率的极限。与目前数据中心用于控制光子电路的技术相比，这项技术将大大降低数据中心的能源需求，使其更具可持续性和环保性。

硅光子开关在通电时，会改变其材料的光学特性，从而改变光的路径。然而这个过程不仅不节能，还不是永久性的：一旦断电，材料就会恢复到以前的状态，连接的信息流也会被破坏。

为解决这个问题，联合研究团队创造了一种“一劳永逸”的开关，能够在没有任何额外能量的情况下保持连接。他们使用了一种非挥发性的相变材料，这意味着该材料通过短暂加热而发生转变，并保持状态，直到它接收到另一个热脉冲才又恢复到其原始状态。

研究团队此次使用的是未掺杂的220纳米硅层来传播光，并在硅和相变材料之间引入一层石墨烯来导电。这种设计通过引导石墨烯产生的热量来改变相变材料，从而消除了能量浪费。

事实上，这种装置的转换能量密度（转换能量除以被转换材料的体积）仅为8.7阿托焦耳/立方纳米，与当前最先进的广泛使用的掺杂硅加热器相比，仅为其1/70。这也在开关能量密度的基本极限（1.2阿托焦耳/立方纳米）的数量级之内。

尽管使用石墨烯导电会引起一些光损失，这意味着一些光被吸收，但石墨烯非常薄，不仅损失最小，而且相变材料仍可与在硅层中传播的光相互作用。研究团队确定，基于石墨烯的加热器能可靠地切换相变材料的状态超过1000次循环，这是一项极其显著的改进。

研究人员表示，仅用一个原子级薄的加热器就能调整材料的光学特性，改变了游戏规则，新系统将有助于推动信息技术和量子计算的发展。