Se creó el primer prototipo funcional de un procesador electrónico-óptico de un solo chip.
¡Bienvenido a nuestros lectores en las páginas del blog iCover ! Investigadores de la Universidad de Colorado Boulder, en colaboración con colegas de la Universidad de California, Berkeley y el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), han desarrollado el primer prototipo operativo de un microprocesador óptico-electrónico de un solo chip con eficiencia energética, cuyos dos núcleos intercambian datos RISC-V con memoria SRAM. en el eléctrico, pero en la interfaz óptica.
El 23 de diciembre de 2015 se publicó en la revista Nature información detallada sobre la nueva tecnología, que abrirá las posibilidades para crear sistemas informáticos e infraestructura de red más rápidos y eficientes ."Los circuitos integrados que trabajan con nuevos principios pueden conducir a cambios radicales en las capacidades informáticas y la arquitectura de una amplia gama de dispositivos electrónicos, desde teléfonos inteligentes de usuario hasta supercomputadoras en grandes centros de datos", dijo Milos Popovic, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Eléctrica, Informática y Eléctrica. Ingeniería de la Universidad de Colorado Boulder y coautora del estudio, respaldando los principios teóricos del desarrollo junto con el equipo de Raj Willow Rama, profesora de electrónica en la Universidad Tecnológica de Massachusetts.La velocidad y la cantidad de datos transmitidos eléctricamente están físicamente limitados por parámetros tales como el ancho de banda y la densidad de potencia, que se convierte en un cuello de botella para los microcircuitos semiconductores de todos los sistemas informáticos modernos. Pero estas restricciones se pueden eliminar mediante el uso de comunicaciones ópticas basadas en un chip electrón-óptico hecho en un solo cristal de silicio. Al mismo tiempo, hasta hace poco, tal tándem dentro de un chip de un solo chip era muy difícil de implementar, debido a las limitaciones de las capacidades de producción que permitían combinar dispositivos ópticos y eléctricos solo dentro de los esquemas más simples.
Un grupo de científicos que anunció el primer chip optoelectrónico logró superar la barrera existente de funcionalidad al proponer una tecnología que permite integrar hasta 70 millones de transistores y hasta 850 componentes ópticos de entrada-salida con las funciones de lógica, memoria y elementos de conexión. El chip se fabrica en las instalaciones de GlobalFoundries, que utiliza tecnología de silicio sobre aislante (SOI). Las guías de ondas ópticas se crearon sobre una fina capa de vidrio en una preforma de silicio. La diferencia en los índices de refracción del vidrio y el silicio mantiene la luz en la guía de ondas. El metal se depositó en el interior del componente óptico toroidal, un resonador de anillo. Allí no interactúa con la luz que pasa a lo largo del exterior de la rosquilla, pero, cuando se aplica voltaje, puede cambiar las propiedades ópticas del resonador,o registrar cambios en la señal de luz, convirtiendo la información óptica en forma eléctrica.La alta sensibilidad de los sensores de luz construidos en resonadores de anillo permite reducir el costo de energía de transmitir un bit de información a 1.3 picojulios, que es 10 veces menor que el de los chips totalmente eléctricos, incluso a las distancias más cortas. Por lo tanto, una de las principales ventajas de esta solución es una reducción significativa en el consumo de energía. "... La ventaja de nuestra tecnología es su compacidad: la longitud de onda de la luz infrarroja es inferior a 1 micrón, que es 1/100 del grosor de un cabello humano. Esto nos permitirá crear circuitos efectivos de ultra alta densidad, aumentando repetidamente el rendimiento ..." - dijo Popovich.La tecnología propuesta admite la capacidad de comunicarse con componentes externos de un único sistema de intercambio de datos fuera del chip sin el uso de dispositivos ópticos adicionales. En la figura a continuación se muestra un ejemplo de implementación de un chip de un solo chip con un punto de acceso óptico en forma de cono.
Fragmento de un sistema óptico de transmisión de datos “en el vecindario” con transistores y diodos tradicionales“Una de las ventajas de la transmisión de datos basada en la luz es la capacidad de transmitir múltiples flujos de datos paralelos codificados usando luz de diferentes colores (longitudes de onda) al mismo tiempo, uno a la vez a la misma fibra óptica dentro o fuera del chip, por analogía con cómo sucede cuando se organizan canales de Internet a través de un cable de fibra óptica ”, dijo Milos Popovic.En su diseño actual, el innovador prototipo de procesador es compatible con la no tan rápida tecnología de proceso CMOS SOI de 45 nanómetros, al tiempo que proporciona una densidad de transferencia de datos de 300 gigabits por segundo por milímetro cuadrado, que es aproximadamente de 10 a 50 veces más que los microprocesadores presentados en el mercado moderno El ancho de banda reclamado de cada canal óptico es de 2.5 Gb / s. Dichos valores, según los desarrolladores, ya están implementados sobre la base del prototipo actual. Los tamaños de chip de 3 a 6 mm permiten superar la contradicción entre las necesidades informáticas de los grandes circuitos integrados de próxima generación y las capacidades de los chips integrados en ellos, al tiempo que conservan todas las características funcionales de un circuito tradicional en un solo chip.
"Nuestro desarrollo es el primer procesador que utiliza la luz para comunicarse con el mundo exterior", dijo Vladimir Stoyanovich, profesor asociado de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en la Universidad de California, Berkeley y líder del equipo de los coautores de la invención. La nueva tecnología, que combina circuitos ópticos y electrónicos en un solo chip, según los investigadores, puede integrarse naturalmente en los procesos de producción existentes y dominarse rápidamente en la producción comercial a gran escala con un costo mínimo."Describimos y probamos experimentalmente la posibilidad de usar los mismos materiales y procesos tecnológicos para fabricar circuitos que combinan dispositivos ópticos y eléctricos en un solo chip", dijo Mark Wade, un representante del equipo de la Universidad de Colorado y uno de los coautores de la invención. "Esto nos permitirá desarrollar sistemas electrónicos ópticos complejos que pueden resolver el llamado" problema de cuello de botella "que ocurre hoy al transferir grandes cantidades de datos. Con el fin de desarrollar con éxito el proyecto, el equipo creó dos nuevas empresas con diferentes tareas organizativas. SiFive presenta la arquitectura abierta RISC-V utilizada en el chip experimental, y Ayar Labs se centra en la tecnología de interconexión de fotones.El chip creado en nuestro laboratorio, de acuerdo con el lanzamiento oficial del proyecto en el sitio web de Nature, puede fabricarse como parte del proceso de fabricación estándar utilizado en la fabricación de microprocesadores existentes. Esto abre enormes perspectivas para la "chipización óptica-electrónica" de sistemas informáticos prometedores con nuevas capacidades basadas en la nueva arquitectura. La conocida agencia DAPRA brindó su apoyo en el desarrollo.Fuentes:sitio web de Colorado Boulder Nature University
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