تم إنشاء أول نموذج أولي لمعالج بصري إلكتروني أحادي الشريحة

مرحبًا بكم في قرائنا على صفحات مدونة iCover ! قام باحثون من جامعة كولورادو بولدر ، بالتعاون مع زملائهم من جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) ، بتطوير أول نموذج أولي تشغيلي لمعالج رقاقة إلكترونية ضوئية أحادية رقاقة موفرة للطاقة ، وهما مركزان لا يتبادل RISC-V بياناتهما مع ذاكرة SRAM. على الكهرباء ، ولكن على الواجهة الضوئية.



تم نشر معلومات تفصيلية حول التكنولوجيا الجديدة ، والتي ستفتح إمكانيات إنشاء أنظمة حوسبة أسرع وأكثر كفاءة وبنية تحتية للشبكة ، في مجلة Nature في 23 ديسمبر 2015.

شارك ميلوس بوبوفيتش ، الأستاذ المساعد في قسم الكهرباء والكمبيوتر وهندسة الطاقة ، أفكاره: "إن الدوائر المتكاملة التي تعمل على مبادئ جديدة يمكن أن تؤدي إلى تغييرات جذرية في قدرات الحوسبة والهندسة المعمارية لمجموعة واسعة من الأجهزة الإلكترونية ، من الهواتف الذكية للمستخدمين إلى أجهزة الكمبيوتر الفائقة في مراكز البيانات الكبيرة". هندسة جامعة كولورادو بولدر والمؤلف المشارك للدراسة ، إثبات المبادئ النظرية للتنمية مع فريق راج ويلو راما ، أستاذ الإلكترونيات ، جامعة ماساتشوستس للتكنولوجيا.

إن سرعة وكمية البيانات المرسلة كهربائيًا مقيدة ماديًا بمعلمات مثل عرض النطاق الترددي وكثافة الطاقة ، والتي تصبح عنق الزجاجة للدوائر الصغيرة شبه الموصلة لجميع أنظمة الكمبيوتر الحديثة. ولكن يمكن إزالة هذه القيود إذا تم استخدام الاتصالات الضوئية القائمة على رقاقة إلكترونية ضوئية مصنوعة من بلورة سيليكون واحدة. في الوقت نفسه ، حتى وقت قريب ، كان من الصعب جدًا تنفيذ مثل هذا الترادف داخل رقاقة أحادية الشريحة ، بسبب قيود قدرات الإنتاج التي سمحت بدمج الأجهزة البصرية والكهربائية فقط في أبسط المخططات.



تمكنت مجموعة من العلماء الذين أعلنوا عن أول شريحة إلكترونية ضوئية من التغلب على حاجز الوظائف الحالي من خلال اقتراح تقنية تسمح بدمج ما يصل إلى 70 مليون ترانزستور وما يصل إلى 850 مكون إدخال ضوئي بصري مع وظائف المنطق والذاكرة وعناصر الاتصال. يتم تصنيع الرقاقة في مرافق GlobalFoundries ، باستخدام تقنية "السيليكون على العازل" (SOI). تم إنشاء أدلة الموجات الضوئية على طبقة رقيقة من الزجاج في شكل السيليكون. الاختلاف في مؤشرات الانكسار للزجاج والسيليكون يحمل الضوء في الدليل الموجي. تم ترسيب المعدن داخل الجزء البصري الحلقي - مرنان حلقي. هناك لا يتفاعل مع الضوء الذي يمر على طول الجزء الخارجي من الكعكة ، ولكن عند تطبيق الجهد ، يمكن أن يغير الخصائص البصرية للمرنان ،أو تسجيل التغييرات في إشارة الضوء ، وتحويل المعلومات البصرية إلى شكل كهربائي.

تسمح الحساسية العالية لمستشعرات الضوء المبنية على الرنانات الدائرية بتقليل تكلفة الطاقة لإرسال بت المعلومات إلى 1.3 بيكول ، وهو أقل بعشر مرات من الرقائق الكهربائية بالكامل حتى في أقصر المسافات. لذلك ، فإن إحدى المزايا الرئيسية لهذا الحل هي انخفاض كبير في استهلاك الطاقة. وقال بوبوفيتش "... ميزة تقنيتنا هي صغر حجمها: الطول الموجي للضوء بالأشعة تحت الحمراء أقل من 1 ميكرون ، وهو 1/100 من سمك شعرة الإنسان. هذا سيسمح لنا بإنشاء دوائر فعالة عالية الكثافة ، وزيادة الإنتاجية بشكل متكرر ...".

تدعم التكنولوجيا المقترحة القدرة على التواصل مع المكونات الخارجية لنظام واحد لتبادل البيانات خارج الشريحة دون استخدام أجهزة بصرية إضافية. يوضح الشكل التالي مثالاً على تنفيذ شريحة واحدة ذات نقطة وصول بصرية مخروطية الشكل.



جزء من نظام نقل البيانات البصري "في الجوار" مع الترانزستورات والثنائيات التقليدية

"إحدى مزايا إرسال البيانات المستندة إلى الضوء هي القدرة على إرسال العديد من تدفقات البيانات المتوازية المشفرة باستخدام ضوء بألوان مختلفة (أطوال موجية) في نفس الوقت واحدًا تلو الآخر إلى نفس الألياف الضوئية داخل أو خارج الشريحة ، عن طريق القياس مع كيفية حدوثها عند تنظيم قنوات الإنترنت عبر كابل الألياف الضوئية "، قال ميلوس بوبوفيتش.

في تصميمه الحالي ، يدعم النموذج الأولي للمعالج المبتكر تقنية معالجة CMOS SOI غير السريعة بسرعة 45 نانومتر ، بينما يوفر في نفس الوقت كثافة نقل بيانات تبلغ 300 غيغابت في الثانية لكل مليمتر مربع ، وهو ما يزيد عن 10 إلى 50 مرة عن المعالجات الدقيقة المقدمة في السوق الحديثة. عرض النطاق المطلوب لكل قناة بصرية هو 2.5 Gb / s. يتم تطبيق هذه القيم بالفعل ، وفقًا للمطورين ، على أساس النموذج الأولي الحالي. تتيح أحجام الرقائق 3-6 مم التغلب على التناقض بين احتياجات الحوسبة للدوائر المتكاملة الكبيرة من الجيل التالي وإمكانيات الرقائق المدمجة فيها ، مع الاحتفاظ بجميع الخصائص الوظيفية للدائرة التقليدية على شريحة واحدة.



يقول فلاديمير ستويانوفيتش ، الأستاذ المساعد في الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، وقائد فريق المؤلفين المشاركين للاختراع: "إن تطورنا هو أول معالج يستخدم الضوء للتواصل مع العالم الخارجي". وفقًا للباحثين ، يمكن دمج التكنولوجيا الجديدة ، التي تجمع بين الدوائر البصرية والإلكترونية على شريحة واحدة ، بشكل طبيعي في عمليات الإنتاج الحالية وإتقانها بسرعة في الإنتاج التجاري على نطاق واسع بأقل تكلفة.

قال مارك ويد ، ممثل الفريق في جامعة كولورادو وأحد المؤلفين المشاركين للاختراع: "لقد وصفنا وأثبتنا تجريبياً إمكانية استخدام نفس المواد والعمليات التكنولوجية لتصنيع الدوائر التي تجمع بين الأجهزة البصرية والكهربائية على رقاقة واحدة". "سيسمح لنا هذا بتطوير أنظمة إلكترونية بصرية معقدة يمكنها حل ما يسمى" مشكلة الاختناق "التي تحدث اليوم عند نقل كميات كبيرة من البيانات. من أجل تعزيز التطوير الناجح للمشروع ، أنشأ الفريق شركتين ناشئتين بمهام تنظيمية مختلفة. SiFive يقدم الهندسة المعمارية المفتوحة RISC-V المستخدمة في الشريحة التجريبية ، و Ayar Labs تركز على تقنية الربط الضوئي.

يمكن تصنيع الشريحة التي تم إنشاؤها في مختبرنا ، وفقًا للإصدار الرسمي للمشروع على موقع Nature ، كجزء من عملية التصنيع القياسية المستخدمة في تصنيع المعالجات الدقيقة الموجودة. وهذا يفتح آفاقًا هائلة لـ "التضمين الإلكتروني البصري" لأنظمة الحوسبة الواعدة بقدرات جديدة مبنية على البنية الجديدة. قدمت وكالة DAPRA المعروفة دعمها في التطوير.



المصادر:

موقع جامعة كولورادو بولدر

للطبيعة

---

أعزائي القراء ، يسعدنا دائمًا أن نلتقي وننتظرك على صفحات مدونتنا. نحن على استعداد لمواصلة مشاركة أحدث الأخبار ومقالات المراجعة والمنشورات الأخرى معك وسنحاول أن نبذل قصارى جهدنا لجعل الوقت الذي تقضيه معنا مفيدًا لك. وبالطبع لا تنسى الاشتراك في أقسامنا . مقالاتنا وأحداثنا الأخرى

• مجموعة مختارة من هدايا رأس السنة حتى 2016 روبل من iCover
• قم بشراء iMac أو Macbook للفوز بسماعة
• مراجعة مشغل الصوت المحمول Cowon Plenue M: الحالة في الصوت
• مصنع واحد - مصائر مختلفة: محرك الأقراص الصلبة الخارجي LaCie P'9220 1 تيرابايت والثالث 2 تيرابايت
• التنظيف الذكي مع هدايا iRobot +
• تسجيلات حصرية من iCover و Warner Music
• خصم 20٪ على المستقبليات والكلاسيكيات

Source: https://habr.com/ru/post/ar388453/