iCover.ru — магазин инноваций
47,77
рейтинг
25 декабря 2015 в 09:31

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 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.

image

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.

image

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.



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.

Специальная подборка Новогодних подарков от iCover

Другие наши статьи и события

Автор: @icover
iCover.ru
рейтинг 47,77
iCover.ru — магазин инноваций

Комментарии (9)

  • 0
    Какая-то неправильная география на КДПВ, не находите?
    • +1
      Правильная. Просто вы смотрите на дно.
      http://en.wikichip.org/wiki/Flip_Chip_Ball_Grid_Array
  • +1
    Вот интересно, в тексте говорится, что всё в пределах одного чипа происходило, а на картинке — что один чип процессор, второй чип память, а между ними 20 метров оптоволокна.
    • 0
      Сделали по одному шаблону несколько чипов, на каждом чипе реализованы и оптические (приемник и передатчик), и электронные компоненты. Тестировали два чипа соединенные оптоволокном — в одном был включен только CPU, в другом только SRAM — см. Figure 2.

      PS: Использование изоленты для выборочного травления чипа и получения доступа к волноводу не раскрыто — см www.nature.com/nature/journal/v528/n7583/fig_tab/nature16454_SF2.html «Selective substrate removal steps for the flip-chip packaged chip, using tape as a coarse mask for defining areas that retain the substrate. BOX, buried oxide.»
    • 0
      Тем не менее, шина памяти — это вообще самое очевидное применение оптического канала в силу её длины и соответствующих задержек.
      • 0
        А какой смысл делать память в двадцати метрах от процессора?

        И я не уверен, что задержки будут меньше.
        • 0
          Потому что, чтобы эта длина была хоть как-то сравнима с длиной внутри процессора, память пришлось бы тоже встроить внутрь процессора. Этот вариант мне тоже нравится, но для этого память должна быть весьма компактной.
          • 0
            Вы уверены, что у среднестатистического компьютера между процессором и памятью двадцать метров?
  • 0
    Милош Попович, Владимир Стоянович…
    "- Вот, а ты говорила — у итальянцев имена трудные!"
    (фильм «Формула любви», цитируется по-памяти)

    Вот и у американских исследователей ФИО — совсем даже и не непривычные, чем-то даже похожи на югославские…
    Чип, созданный в нашей лаборатории… может быть изготовлен в рамках стандартного производственного процесса, используемого при изготовлении существующих микропроцессоров.
    Неплохо. Старт-посадка «SpaceX», теперь эта новость… В США Рождество, видать…

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

Самое читаемое