Инженеры успешно соединили электроны и фотоны в одночиповом микропроцессоре, что является важной вехой в развитии, открывающей путь к сверхбыстрой обработке данных с низким энергопотреблением.
Исследователи упаковали два процессорных ядра с более чем 70 миллионами транзисторов и 850 фотонных компонентов в чип размером 3 на 6 миллиметров. Они изготовили микропроцессор в литейном цехе, где массово производятся высокопроизводительные компьютерные микросхемы, доказав, что их конструкция может быть легко и быстро масштабирована для коммерческого производства.
Новый чип, описанный в статье, которая будет опубликована в декабре.24 в печатном выпуске журнала Nature, знаменует собой следующий шаг в развитии технологии оптоволоконной связи путем интеграции в микропроцессор фотонных межсоединений или входов и выходов (I/O), необходимых для связи с другими чипами.
«Это важная веха. Это первый процессор, который может использовать свет для связи с внешним миром», - сказал Владимир Стоянович, адъюнкт-профессор электротехники и компьютерных наук Калифорнийского университета в Беркли, возглавлявший разработка чипа. «Ни один другой процессор не имеет фотонного ввода/вывода в чипе».
Стоянович и профессор Калифорнийского университета в Беркли Крсте Асанович объединились с Радживом Рамом из Массачусетского технологического института и Милошем Поповичем из Колорадского университета в Боулдере для разработки нового микропроцессора.
«Мы впервые собрали систему такого масштаба, и она действительно делает что-то полезное, например, запускает программу», - сказал Асанович, который помог разработать бесплатную и открытую архитектуру под названием RISC- V (компьютер с сокращенным набором команд), используемый процессором.
Большая пропускная способность при меньшей мощности
По сравнению с электрическими проводами, оптоволокно поддерживает большую пропускную способность, передавая больше данных на более высоких скоростях на большие расстояния с меньшим энергопотреблением. Хотя достижения в технологии оптической связи значительно улучшили передачу данных между компьютерами, внедрение фотоники в сами компьютерные чипы было затруднено.
Это потому, что до сих пор никто не придумал, как интегрировать фотонные устройства в те же самые сложные и дорогие производственные процессы, используемые для производства компьютерных чипов, без изменения самого процесса. Это очень важно, поскольку это не увеличивает стоимость производства и не приводит к риску выхода из строя изготовленных транзисторов.
Исследователи проверили функциональность чипа с фотонными межсоединениями, используя его для запуска различных компьютерных программ, требующих от него отправки и получения инструкций и данных в память и из памяти. Они показали, что плотность полосы пропускания чипа составляет 300 гигабит в секунду на квадратный миллиметр, что примерно в 10-50 раз больше, чем у корпусных чисто электрических микропроцессоров, представленных в настоящее время на рынке.
Фотонный ввод-вывод на чипе также является энергоэффективным, потребляя всего 1,3 пикоджоуля на бит, что эквивалентно потреблению 1,3 Вт энергии для передачи терабита данных в секунду. В экспериментах данные отправлялись на приемник на расстоянии 10 метров и обратно.
«Преимущество оптики заключается в том, что при той же мощности вы можете пройти несколько сантиметров, несколько метров или несколько километров», - сказал соавтор исследования Чен Сун, недавно защитивший докторскую диссертацию в Калифорнийском университете в Беркли. Д. окончил лабораторию Стояновича в Исследовательском центре беспроводной связи Беркли. «Для высокоскоростных электрических соединений 1 метр - это предел, прежде чем вам потребуются ретрансляторы для регенерации электрического сигнала, и это быстро увеличивает количество необходимой энергии. Чтобы электрический сигнал прошел 1 километр, вам потребуются тысячи пикоджоулей. для каждого бита."
Это достижение открывает дверь в новую эру приложений, требовательных к пропускной способности. Одно из ближайших применений этой технологии - сделать центры обработки данных более экологичными. По данным Совета по защите природных ресурсов, центры обработки данных потребляли около 91 миллиарда киловатт-часов электроэнергии в 2013 году, что составляет около 2 процентов от общего объема электроэнергии, потребляемой в Соединенных Штатах, и аппетит к мощности растет в геометрической прогрессии.
В этом году в рамках этого исследования уже были выделены два стартапа, ориентированных на применение в центрах обработки данных. SiFive занимается коммерциализацией процессоров RISC-V, а Ayar Labs занимается фотонными межсоединениями. Ранее в этом году Ayar Labs под прежним названием OptiBit была удостоена премии MIT Clean Energy Prize. Ayar Labs набирает обороты благодаря инкубатору стартапов CITRIS Foundry в Калифорнийском университете в Беркли.
Это своевременное продвижение, поскольку мировые лидеры выходят из переговоров ООН по климату COP21 с новыми обещаниями ограничить глобальное потепление.
В будущем это исследование может быть использовано в таких приложениях, как LIDAR, световая радарная технология, используемая для управления беспилотными транспортными средствами и глазами робота; УЗИ головного мозга; и новые экологические биосенсоры.
'Фиат люкс' на чипе
Исследователи придумали ряд ключевых инноваций, чтобы использовать силу света внутри чипа.
Каждый из ключевых компонентов фотонного ввода-вывода, такой как кольцевой модулятор, фотодетектор и вертикальный решетчатый ответвитель, служит для управления и направления световых волн на чипе, но конструкция должна была соответствовать ограничениям процесс, который первоначально считался враждебным фотонным компонентам. Например, чтобы свет проходил через чип с минимальными потерями, исследователи использовали кремниевый корпус транзистора в качестве волновода для света. Они сделали это, используя доступные маски в процессе изготовления, чтобы манипулировать легированием, процессом, используемым для формирования различных частей транзисторов.
Получив свет на чип, исследователям нужно было найти способ управлять им, чтобы он мог передавать биты данных. Они разработали кремниевое кольцо со спицами p-n-перехода рядом с кремниевым волноводом, чтобы обеспечить быструю и низкоэнергетическую модуляцию света.
Использование кремниево-германиевых частей современного транзистора - существующей части процесса производства полупроводников - для создания фотодетектора использовало способность германия поглощать свет и преобразовывать его в электричество.
Вертикальный решетчатый ответвитель, который инновационным образом использует существующие слои поликремния и кремния, использовался для соединения чипа с внешним миром, направляя свет в волноводе вверх и от чипа. Исследователи тесно интегрировали электронные компоненты с этими фотонными устройствами, чтобы обеспечить стабильную работу в агрессивной среде чипов.
Авторы подчеркнули, что все эти адаптации работают в рамках параметров существующих систем производства микропроцессоров, и что будет несложно оптимизировать компоненты для дальнейшего повышения производительности их чипов.