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世界首个光处理器诞生:功耗极低 带宽猛翻10至50倍

2016-01-04 16:12
棒棒书香
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    美国研究人员日前首次在微处理器集成电路芯片内融入光子元件,为创制高速低功耗计算机处理器探索途经。

  这一处理器采用简化指令组计算机(RISC-V)架构,包含超过7000万个晶体管和850个光子元件,而且是在一座现有芯片工厂内制作,显示出相关工艺与现有生产程序可以兼容。  

  这项研究由加利福尼亚大学伯克利分校、麻省理工学院和科罗拉多大学博尔德分校的研究人员合作实施。项目专家介绍说,上述微处理器芯片呈长方形,各边尺寸分别为3毫米和6毫米,其中光子元件充当输入/输出端口。

  “这是一个里程碑,”加利福尼亚大学伯克利分校电气工程和计算机系副教授弗拉迪米尔·斯托亚诺维奇说,因为“这是第一个用光线实现与外部世界(数据)通信的处理器”。

  光学通信与电子通信相比,有带宽大、功耗低等优势。光学通信迄今已极大改善计算机与计算机之间的数据通信,即计算机网络通信,但把这些效能引入计算机内或计算机微处理器芯片内部并不容易。

  商业化大规模电子集成电路制造工艺复杂、设备昂贵,所以研究人员着力降低在芯片内引入光子元件所需增加的成本以及可能导致的残次品率。所以,他们在蚀刻环形调制器、光探测器、垂直耦合器等光子元件时尽可能地利用硅锗晶体管、多晶硅和单晶硅层的特性,以晶体管的管体充当波导管。

  该项目的研究人员在英国《自然》杂志上发表的论文说,运行各种计算机程序的结果显示,这一芯片内的数据通信带宽为每平方毫米300千兆比特,相当于市场上现有“纯电子”微处理器内通信带宽的10至50倍。

  测试结果还表明,这一芯片内光子输入/输出端口的功耗是每比特1.3微微焦耳,即传输1兆兆比特数据仅消耗电力1.3瓦。此外,光子输入/输出端口在实验中发出并接受数据的距离是10米,而高速电子数据线路的传输距离极限大约是1米。

  据研究人员推测,这种功耗小的光子输入/输出端口有望被“数据中心”之类的单位所采用,这类数据中心往往消耗大量电力,而且这种耗电量有可能继续快速增加。依照美国自然资源保护理事会的说法,美国所有数据中心2013年合计耗费电力大约910亿千瓦小时,相当于全美当年总体电力消耗的约2%。

  2015年,这种在微处理器集成电路芯片内融入光子元件的技术应用前景在美国已催生了两家初创企业,其中一家与加利福尼亚大学伯克利分校及其研究人员直接有关。

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