O primeiro protótipo de trabalho de um processador óptico de elétron de chip único foi criado
Bem-vindo aos nossos leitores nas páginas de blog do iCover ! Pesquisadores da Universidade do Colorado Boulder, em colaboração com colegas da Universidade da Califórnia, Berkeley e Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), desenvolveram o primeiro protótipo operacional de um microprocessador eletrônico de fibra óptica de chip único com eficiência energética, cujos dois núcleos nos quais o RISC-V troca dados com a memória SRAM não na elétrica, mas na interface óptica.
Informações detalhadas sobre a nova tecnologia, que abrirão as possibilidades de criação de sistemas de computação e infraestrutura de rede mais rápidas e eficientes, foram publicadas na revista Nature em 23 de dezembro de 2015."Os circuitos integrados que trabalham com novos princípios podem levar a mudanças radicais nas capacidades de computação e na arquitetura de uma ampla variedade de dispositivos eletrônicos, de smartphones de usuários a supercomputadores em grandes data centers", compartilhou Milos Popovic, professor associado do Departamento de Engenharia Elétrica, de Computação e Energia. Engenharia da Universidade do Colorado Boulder e co-autor do estudo, fundamentando os princípios teóricos do desenvolvimento em conjunto com a equipe do Raj Willow Rama, professor de eletrônica, Universidade de Tecnologia de Massachusetts.A velocidade e a quantidade de dados transmitidos eletricamente são fisicamente limitadas por parâmetros como largura de banda e densidade de potência, que se tornam um gargalo para microcircuitos semicondutores de todos os sistemas de computadores modernos. Mas essas restrições podem ser removidas se forem utilizadas comunicações ópticas baseadas em um chip óptico-eletrônico feito em um único cristal de silício. Ao mesmo tempo, até recentemente, era muito difícil implementar esse conjunto em um chip de chip único, devido às limitações dos recursos de produção que permitiam combinar dispositivos ópticos e elétricos apenas nos esquemas mais simples.
Um grupo de cientistas que anunciou o primeiro chip optoeletrônico conseguiu superar a barreira existente de funcionalidade, propondo uma tecnologia que permite integrar até 70 milhões de transistores e até 850 componentes ópticos de entrada / saída com as funções de lógica, memória e elementos de conexão. O chip é fabricado nas instalações da GlobalFoundries, que utiliza a tecnologia SOI (Silicon on Isolator). Guias de onda ópticos foram criados em uma fina camada de vidro em uma pré-forma de silício. A diferença nos índices de refração de vidro e silício mantém a luz no guia de ondas. O metal foi depositado no interior do componente óptico toroidal - um ressonador de anel. Lá, ele não interage com a luz que passa ao longo da parte externa da rosca, mas, quando a tensão é aplicada, pode alterar as propriedades ópticas do ressonador,ou registrar alterações no sinal luminoso, convertendo as informações ópticas em forma elétrica.A alta sensibilidade dos sensores de luz construídos em ressonadores em anel permite reduzir o custo de energia da transmissão de um bit de informação para 1,3 picojoules, 10 vezes menor que o de chips totalmente elétricos, mesmo nas distâncias mais curtas. Portanto, uma das principais vantagens desta solução é uma redução significativa no consumo de energia. "... A vantagem de nossa tecnologia é sua compactação: o comprimento de onda da luz infravermelha é inferior a 1 mícron, que é 1/100 da espessura de um cabelo humano. Isso nos permitirá criar circuitos de ultra alta densidade eficazes, aumentando repetidamente o rendimento ..." - disse Popovich.A tecnologia proposta suporta a capacidade de se comunicar com componentes externos de um único sistema de troca de dados fora do chip sem o uso de dispositivos ópticos adicionais. Um exemplo de implementação de um chip de chip único com um ponto de acesso óptico em forma de cone é mostrado na figura abaixo.
Fragmento de um sistema óptico de transmissão de dados “na vizinhança” com transistores e diodos tradicionais“Uma das vantagens da transmissão de dados baseada em luz é a capacidade de transmitir múltiplos fluxos de dados paralelos codificados usando luz de cores diferentes (comprimentos de onda) ao mesmo tempo, um de cada vez para a mesma fibra óptica dentro ou fora do chip, por analogia com a forma como isso acontece ao organizar os canais da Internet via cabo de fibra óptica ”, disse Milos Popovic.Em seu projeto atual, o inovador protótipo de processador suporta a tecnologia de processo CMOS SOI não tão rápida de 45 nanômetros, ao mesmo tempo em que fornece uma densidade de transferência de dados de 300 gigabits por segundo por milímetro quadrado, o que é cerca de 10 a 50 vezes mais do que os microprocessadores apresentados no mercado moderno. A largura de banda reivindicada de cada canal óptico é de 2,5 Gb / s. Esses valores, de acordo com os desenvolvedores, já são implementados com base no protótipo atual. O tamanho dos chips de 3 a 6 mm permite superar a contradição entre as necessidades de computação dos grandes circuitos integrados de próxima geração e as capacidades dos chips integrados neles, mantendo todas as características funcionais de um circuito tradicional em um único chip.
"Nosso desenvolvimento é o primeiro processador a usar a luz para se comunicar com o mundo exterior", disse Vladimir Stoyanovich, professor associado de engenharia elétrica e ciência da computação da Universidade da Califórnia, Berkeley e líder da equipe dos coautores da invenção. A nova tecnologia, combinando circuitos ópticos e eletrônicos em um único chip, de acordo com os pesquisadores, pode ser naturalmente integrada aos processos de produção existentes e rapidamente dominada na produção comercial em larga escala com custo mínimo."Descrevemos e provamos experimentalmente a possibilidade de usar os mesmos materiais e processos tecnológicos para fabricar circuitos que combinam dispositivos ópticos e elétricos em um único chip", disse Mark Wade, representante da equipe da Universidade do Colorado e um dos co-autores da invenção. "Isso nos permitirá desenvolver sistemas eletrônicos ópticos complexos que podem resolver o chamado" problema de gargalo "que ocorre hoje ao transferir grandes quantidades de dados. Para promover o desenvolvimento bem-sucedido do projeto, a equipe criou duas startups com diferentes tarefas organizacionais. SiFive apresenta a arquitetura aberta RISC-V usada no chip experimental e o Ayar Labs se concentra na tecnologia de interconexão de fótons.O chip criado em nosso laboratório, de acordo com o lançamento oficial do projeto no site da Nature, pode ser fabricado como parte do processo de fabricação padrão usado na fabricação de microprocessadores existentes. Isso abre enormes perspectivas para a “chipização eletrônica ótica” de sistemas de computação promissores, com novos recursos construídos na nova arquitetura. A agência conhecida DAPRA forneceu seu apoio no desenvolvimento.Fontes:site da Universidade da Natureza em Colorado Boulder
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