 Используя только процессы, найденные в существующих объектах по производству микрочипов, исследователи из Массачусетского технологического института, Университета Калифорнии в Беркли и Университета Колорадо создали работающий оптоэлектронный микропроцессор, который проводит электронные вычисления, но при этом использует свет для перемещения информации.
Оптическая связь может резко снизить энергопотребление чипов, что не только желательно, в своем собственном праве, но и необходимо для сохранения устойчивого увеличения вычислительной мощности, которое мы привыкли ожидать.
Демонстрация того, что оптические чипы могут быть построены без изменений к существующим производственных процессов полупроводников, должна сделать оптическую связь более привлекательной для компьютерной индустрии. Но это также делает уже сложную инженерную задачу еще более трудной.
Чип имеет 850 оптических компонентов и 70 миллионов транзисторов, что значительно меньше, чем у типичного микропроцессора, имеющего миллиард с лишним транзисторов. Тем не менее, этого достаточно, чтобы продемонстрировать всю функциональность, которую потребует коммерческий оптический чип. В тестах исследователи обнаружили, что производительность их транзисторов практически неотличима от всех электронных вычислительных-устройств, построенных на том же объекте.
Компьютерные чипы постоянно перемещают данные туда и обратно между логическими схемами и памятью, и сегодняшние чипы не могут держать логические схемы, поставляемые с достаточным количеством данных, чтобы воспользоваться их постоянно увеличивающейся скоростью. Повышение пропускной способности электрических соединений между логикой и памятью потребует больше энергии, и может поднять рабочую температуру чипов до неприемлемых уровней.
Оптические соединения данных, в принципе, являются гораздо более энергоэффективными. И в отличие от электрических соединений, их требования к питанию не увеличиваются с расстоянием. Так что оптические соединения могут связывать процессоры, которые находятся на удалении в метрах, а не микрометрах друг от друга, с небольшими потерями в производительности.
Чип исследователей был изготовлен GlobalFoundries, компанией по производству полупроводников, которая использует процесс, в котором слои кремния изолированы слоями стекла. Исследователи строят волноводы (оптических компонентов, которые направляют свет) на вершине тонкого слоя стекла на кремниевой пластине. Тогда затем стравливают кремний под ними. Разница в показателе преломления между кремнием и стеклом помогает удержать свет, проходящий через волноводы.
Одна из трудностей в использовании процессов производства транзисторов с целью производства оптических устройств заключается в том, что компоненты транзистора предназначены для проведения электричества по крайней мере за часть времени. Но проводимость требует свободных носителей заряда, которые обычно поглощают легкие частицы, ограничивая оптическую передачу.
Компьютерные чипы, однако, как правило, используют отрицательные носители заряда (электроны) и носители положительного заряда (дыры). Это означает, что где-то там должен быть какой-то способ блокировать все виды носителей который делается для каждого слоя. Необходимо было просто выяснить, как достичь этого.
В оптоэлектронном чипе в некоторой точке световые сигналы должны быть преобразованы в электричество. Но контакт с металлом также препятствует оптической передаче данных. Исследователи нашли способ формирования рисунка металла на внутреннем кольце оптического компонента в форме пончика, называемого кольцевым резонатором. Металл не взаимодействует с светом, идущим вокруг внешнего кольца резонатора, но, когда напряжение прикладывается к нему, он может изменить оптические свойства резонатора или регистрировать изменения в несущем данные сигнале света, что позволяет переводить оптические сигналы в электрические и обратно.
На новом чипе, исследователи показали, что легкие датчики, встроенные от этих кольцевых резонаторов, являются настолько чувствительными, что они могли бы получить стоимость энергии передачи бит информации до одного пикоджоуля, или одной десятой того, что требуют полностью электронные чипы даже на очень коротких расстояниях.
|
