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硅光子“入侵”处理器:光通信的未来发展方向

2016-01-12 15:01
汉水狂客
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  尽管早在2014年6月英特尔就宣布,将在下一代至强Phi处理器中引入基于硅光子学的内部互连技术Omni Scale Fabric,但最终还是被麻省理工学院、加州大学伯克利分校和科罗拉多州大学的研究人员抢了头筹。

  近日,这3所大学的研究人员宣布,他们已经做出了世界第一个采用光互连的处理器。据称,该处理器的带宽密度可达每平方毫米300Gb,是现有处理器传输速率的10~50倍。

  论文摘要见端倪

  这一研究成果是去年12月23日出版的《自然》杂志披露的。这篇名为《直接使用光通信的单芯片处理器》的论文提要显示,该芯片在18(3×6)平方毫米的面积上集成了7000多万个晶体管和850个光子学器件,通过这些芯片上的光子学器件,处理器可以直接用光与其他芯片进行通信。

  众所周知,高带宽和低功耗使得光通信不仅用在越洋海底光缆、高性能计算、数据中心等高端应用方面,甚至也通过光纤到户来到寻常百姓家。但是,光通信设备的体量长期以来一直是阻碍光互连普及的主要障碍。

  该论文作者称,有别于开发专用制造工艺来制造这些光子学器件,他们采用了被称为“零改动”的方式,使用当今生产处理器采用的标准的微电子学制造工艺。所谓“零改动”应该指的是新的处理器制造工艺与现有的CMOS工艺是兼容的,从而为大规模生产奠定了基础。

  论文摘要指明,这标志着一个芯片级别的电子光子系统时代的开始,意味着计算系统架构的改变,将推动从网络基础设施到数据中心,再到超级计算机的更强大的计算机的发展。

  虽然论文摘要仅披露了上述信息,但是在论文发布后,一些科技媒体的报道还是进一步披露了更多的相关信息。

  据该论文第一作者Chen Sun介绍,该项目组首先是在硅衬底上制作了200纳米厚的二氧化硅层,用来作为绝缘层。在此之上是100纳米的硅晶有源层,再上面则是100纳米的氮化物层和电介质薄膜。硅晶有源层包括少量的锗来制作硅应变,以加速电路传输速度。

  “在此基础上我们制作了处理器。”他说。这个处理器采用的是双核RISC-V架构,该架构源自伯克利研发的开放的指令集架构,芯片上还包括容量为1MB的SRAM。该芯片是在45纳米生产线上制造的。

  Sun表示,芯片中光子部分的一个关键部件是一个连接波导的10微米长的“微型—环”谐振腔,它在激光发射和光探测上非常重要。尽管“微型—环”谐振腔已经问世一段时间,却被产业界人士所忽略,原因在于一旦受热,“微型—环”谐振器就会产生漂移,从而偏离了工作波长。他们通过光探测器和控制器来主动增强“微型-环”谐振腔的热稳定性。

  商品化前景如何?

  为了使这项技术商业化,Sun已于2015年5月在伯克利成立了一个创业公司——Ayar实验室,开发面向数据中心的芯片。具体而言,SiFive公司负责处理器内核部分的商业化,Ayar实验室负责在其上开发光子学器件。SiFive位于旧金山,是一家基于开放RISC-V处理器架构为客户提供定制化服务的公司。

  Ayar已经获得了2015年麻省理工学院清洁能源奖。Sun表示,最快有可能在两年内将处理器推向市场。

  “这是一个里程碑,它是第一个可以使用光与外部世界通信的处理器。”领导这个项目的加州大学伯克利分校教授斯托扬诺维奇(Stojanovic)表示,“而其他处理器不具备光子学的输入/输出(I/O)。”

  也有人对此表示质疑。这篇论文发布在《自然》杂志网页上后,巴黎南大学基础电子研究所光子学研究人员劳伦特·维维恩(Laurent Vivien)评论说,在这个“零改动”应用于商业化产品之前会遇到两项挑战:首先是2.6Gpbs的片上光学通信速率与当今硅光子学已获得的传输速率相比,还是相对慢了,如果增加这个SoC芯片中光学调制器和光学探测器之间的带宽,势必要增加存储器与处理器之间的连接;其二,未来还需要一个多波长光学线路来解决互连瓶颈。

  维维恩还表示,包括开关、滤波器和低功耗延迟线在内的大量光学器件和功能模块,有朝一日终将改变计算系统。

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