Cоздан первый рабочий прототип однокристального электронно-оптического процессора
Приветствуем наших читателей на страницах блога iCover! Исследователи из Университета Колорадо Боулдер (Colorado Boulder), в сотрудничестве с коллегами из Университета Калифорнии, Беркли и Массачусетского Технологического института (MIT), разработали первый действующий прототип энергоэффективного однокристального оптико-электрического микропроцессора, ядра которого обмениваются данными с памятью не по электрическому, а по оптическому интерфейсу. Логическая основа процессора — пара ядер RISC-V. На том же кристалле кремния, что и процессор присутствует память SRAM на 1Мбайт. Подробнее…
Подробная информация о новой технологии, которая сможет раскрыть возможности для создания более быстрых и производительных вычислительных систем и сетевой инфраструктуры, была опубликована в журнале Nature 23 декабря 2015 года.
«Интегральные схемы, работающие на новых принципах смогут привести к радикальным изменениям в вычислительных возможностях и архитектуре широкого спектра электронных устройств, начиная с пользовательских смартфонов и оканчивая суперкомпьютерами в крупных центрах обработки данных» — поделился своими соображениями Милош Попович, доцент кафедры электротехники, компьютерного и энергетического машиностроению Университета Колорадо Боулдер и соавтор исследования, обосновавший теоретические принципы разработки совместно с командой Раджива Рама, профессора электроники Массачусетского технологического университета.
Скорость и объем данных, передаваемых электрическим способом физически ограничены такими параметрами, как пропускная способность и плотность мощности, что становится узким местом для полупроводниковых микросхем всех современных компьютерных систем. Но эти ограничения могут быть сняты, если использовать оптические коммуникации на базе электронно-оптического чипа, выполненного на одном кристалле кремния. Вместе с тем, такой тандем в пределах одногокристального чипа до недавнего времени реализовать было весьма проблематично, в связи с ограничениями производственных возможностей, позволяющих объединять оптические и электрические устройства только в пределах простейших схем.
Группе ученых, анонсировавших первый оптико-электронный чип удалось преодолеть существующий барьер функциональности, предложив технологию, позволяющую интегрировать на базе одногокристального чипа с функциями логики, памяти и соединительных элементов до 70 миллионов транзисторов и до 850 оптических компонентов ввода-вывода. И одно из преимуществ такого решения — существенное снижение энергопотребления, что достигается за счет передачи данных при помощи света, а не электрических импульсов.»… Преимущество нашей технологии состоит в ее «компактности»: длина волн инфракрасного света менее 1 мкм, что составляет 1/100 толщины человеческого волоса. Это позволит создавать эффективные схемы ультравысокой плотности, многократно увеличивая пропускную способность …» — уточнил Попович.
Предложенная технология поддерживает возможность связи с внешними компонентами единой системы обмена данными вне чипа без использования дополнительных оптических устройств. Пример реализации однокристального чипа с оптической точкой доступа конусовидной формы изображен на рисунке ниже.
Фрагмент оптической системы передачи данных «по соседству» с традиционными транзисторами и диодами
«Одно из преимуществ передачи данных на основе света — возможность транслировать несколько параллельных потоков данных, закодированных при помощи света разного цвета (длины волны) в одно и то же время по одному и тому же оптическому световоду на чипе или вне его, по аналогии с тем, как это происходит при организации интернет-каналов по оптоволоконному кабелю» — сказал Милош Попович.
В своем нынешнем исполнении инновационный прототип процессора поддерживает не слишком быстрый 45-нанометровый техпроцесс CMOS SOI, обеспечивая, вместе с тем, плотность передачи данных в 300 гигабит в секунду на квадратный миллиметр, что примерно в 10 — 50 раз больше, чем у микропроцессоров, представленных на современном рынке. Заявленная пропускная способность каждого оптического канала 2,5 Гбит/с. Такие значения, по утверждению разработчиков, реализованы уже на базе действующего прототипа. Размеры чипа в 3 — 6 мм создают возможность преодолеть противоречие между вычислительными потребностями больших интегральных схем следующего поколения и возможностями интегрируемых в них чипов, сохранив все функциональные характеристики традиционной схемы на одном кристалле.
«Наша разработка — это первый процессор, использующий свет для связи с внешним миром» — говорит Владимир Стоянович, адъюнкт-профессор электротехники и компьютерных наук в Университете Калифорнии, Беркли и руководитель команды соавторов изобретения. Новая технология, объединившая оптическую и электронную схему на одном кристалле, по мнению исследователей, может быть естественно интегрирована в существующие производственные процессы и быстро освоена в масштабном коммерческом производстве с минимальными затратами.
«Мы описали и экспериментально доказали возможность использования одних и тех же материалов и техпроцессов для изготовлении схем, объединяющих на одном чипе оптические и электрические устройства», — сказал Марк Уэйд (Mark Wade) — представитель команды университета Колорадо и один из соавторов изобретения. «Это позволит нам разрабатывать сложные электронно-оптические системы, которые смогут решить т. н. «проблему бутылочного горлышка», имеющую сегодня место при передаче больших массивов данных. В целях дальнейшего успешного развития проекта командой были созданы два стартапа с разными организационными задачами.
Чип, созданный в нашей лаборатории, говорится в официальном релизе проекта на сайте Nature, может быть изготовлен в рамках стандартного производственного процесса, используемого при изготовлении существующих микропроцессоров. Это открывает колоссальные перспективы для «электронно-оптической чипизации» перспективных вычислительных систем с новыми возможностями, построенных на новой архитектуре. Свою поддержку в разработке оказало небезызвестное агентство DAPRA.
Источники:
сайт Университета Colorado Boulder
Nature
Уважаемые читатели, мы всегда с удовольствием встречаем и ждем вас на страницах нашего блога. Мы готовы и дальше делиться с вами самыми свежими новостями, обзорными статьями и другими публикациями и постараемся сделать все возможное для того, чтобы проведенное с нами время было для вас полезным. И, конечно, не забывайте подписываться на наши рубрики.
Другие наши статьи и события
