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 электронно-оптического микропроцессора, два ядра которого RISC-V обмениваются данными с памятью SRAM не по электрическому, а по оптическому интерфейсу.

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. Чип изготовлен на мощностях компании GlobalFoundries, использующей технологию «кремний на изоляторе» (SOI). Оптические волноводы создавались на тонком слое стекла в кремниевой заготовке. Разница коэффициентов преломления стекла и кремния удерживает свет в волноводе. Металл был нанесен на внутреннюю часть тороидального оптического компонента — кольцевого резонатора. Там он не взаимодействует со светом, который проходит по внешней стороне «бублика», но, при приложении напряжения, может изменять оптические свойства резонатора, либо регистрировать изменения светового сигнала, преобразуя оптическую информацию в электрический вид.

Высокая чувствительность световых сенсоров, построенных на кольцевых резонаторах, позволяет снизить затраты энергии на передачу бита информации до 1,3 пикоджоуля, что в 10 раз меньше, чем у полностью электрических чипов даже на самых коротких дистанциях. Поэтому одно из ключевых преимуществ такого решения – существенное снижение энергопотребления. "… 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. SiFive занимается внедрением использовавшейся в экспериментальном чипе открытой архитектуры RISC-V, а Ayar Labs фокусируется на технологиях фотонных межсоединений.

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.