Pierwszy fotoniczno-elektroniczny układ scalony

Inżynierowie z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley skutecznie połączyli elektrony i fotony w pojedynczym układzie scalonym. To przełomowe osiągnięcie, które pozwoli na ultraszybkie energooszczędne przetwarzanie danych.

Naukowcy stworzyli procesor składający się z dwóch rdzeni, w skład których wchodzi ponad 70 milionów tranzystorów i 850 komponentów fotonicznych. Wymiary układu wynoszą 3x6 milimetrów, a całość powstała w fabryce, która masowo produkuje układy scalone. To oznacza, że zaproponowana przez naukowców architektura może być szybko i łatwo dostosowana do masowej produkcji.

To przełom. To pierwszy procesor, który wykorzystuje światło do komunikacji ze światem zewnętrznym. Żaden inny układ scalony nie korzysta z fotonicznych urządzeń wejścia/wyjścia umieszczonych bezpośrednio na nim - mówi Vladimir Stojanović, który stał na czele grupy badawczej. Członkami zespołu Stojanovicia są profesor Krste Asanović z UC Berkeley, Rajeev Ram z MIT-u oraz Miloś Popović z University of Colorado Boulder.

W porównaniu z tradycyjnym sposobem przesyłania danych za pomocą łączy elektrycznych łącza optyczne zapewniają większą przepustowość, szybszy transfer informacji oraz pozwalają przesłać ją na większą odległość zużywając przy tym mniej energii. Przekazywanie w ten sposób informacji pomiędzy komputerami jest codziennością, jednak umieszczenie układów optycznych na tradycyjnym chipie i zintegrowanie całości ze współczesną  elektroniką okazało się niezwykle trudne. Dotychczas bowiem nikt nie potrafił zintegrować elementów optycznych bez zmiany całego procesu produkcji układów scalonych. Zmiana taka nie dość, że pociągnęłaby za sobą znaczy wzrost kosztów produkcji, to związana jest też z ryzykiem awarii tranzystorów.

Teraz naukowcy zweryfikowali jakość swojego nowego układu scalonego uruchamiając na nim różne programy i przesyłając dane pomiędzy nim a pamięcią komputera. Wykazali, że już teraz gęstość przepustowości danych wynosi 300 Gb/s na milimetr kwadratowy, czyli jest 10-50 razy większa od wartości uzyskiwanych w tradycyjnych procesorach. Nowy chip jest też energooszczędny. Do przesłania pojedynczego bita potrzebuje 1,3 pikodżula, czyli transmisja z prędkością 1 Tb/s wymaga 1,3 wata. Zaletą optycznego łącza jest to, że potrzebujesz tyle samo energii do wysłania danych na odległość kilku centymetrów i kilku kilometrów - mówi Chen Sun, jeden z autorów badań. Przy komunikacji elektrycznej odległość 1 metra to mniej więcej granica, przy której trzeba użyć wzmacniaka do regeneracji sygnału. A to znacznie zwiększa ilość potrzebnej energii. Jeśli chcesz przesłać sygnał elektryczny na odległość 1 kilometra, to na każdy bit potrzebujesz tysięcy pikodżuli.

Zastosowanie łączy optycznych wewnątrz komputerów będzie miało olbrzymie znaczenie wszędzie tam, gdzie przesyłane są duże ilości danych. Warto tutaj przypomnieć, że już w 2013 roku amerykańskie centra bazodanowe zużywały 91 miliardów KWh, czyli około 2% energii używanej w USA.

Podczas opracowywania nowego chipa naukowcy musieli dokonać szeregu innowacji. Każdy z kluczowych komponentów fotonicznych służy do kontrolowania i kierowania falami światła. Jednak wnętrze typowego układu scalonego nie sprzyja wykorzystywaniu w nim światła. Dlatego też, by zminimalizować straty światła, naukowcy wykorzystali krzemowe obudowy tranzystorów w roli falowodu. Było to możliwe dzięki użyciu w czasie procesu produkcyjnego standardowych masek i manipulowanie wzbogacaniem krzemu. Uczeni musieli opracować też specjalny krzemowy pierścień, który pozwalał na szybkie i energooszczędne modulowanie światła. A używając krzemowo-germanowych części tranzystora zbudowali fotodetektor i wykorzystali zdolność germanu do absorbowania światła i zamiany go na sygnał elektryczny.

Twórcy układu przypominają, że dotrzymuje on wszystkich parametrów wymaganych przez współczesne procesory, dalsza optymalizacja jego wydajności nie powinna nastręczać większych problemów.

układ scalony fotonika elektronika światło dane