在同一塊芯片上集成了電子電路和光學(xué)連接的處理器可以節(jié)約數(shù)據(jù)中心的能源

使用光學(xué)連接代替電線傳輸數(shù)據(jù)的微處理器一直以來都是芯片設(shè)計師們的夢想，但他們多年來的嘗試均以失敗告終。

現(xiàn)在《自然》雜志上介紹的一個原型為他們提供了一種很有希望且非常實用的方法。那就是電子-光學(xué)微處理器，該原型是由麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)伯克利分校和科羅拉多大學(xué)博爾德分校的一組研究人員開發(fā)的，由超過7000萬個晶體管和850個光學(xué)組件集合而成。

該系統(tǒng)使用光學(xué)纖維、發(fā)射器和接收器實現(xiàn)處理器芯片和內(nèi)存芯片之間的數(shù)據(jù)發(fā)送。在演示中，該系統(tǒng)通過運行一個圖形程序來展示和操作3D圖像，這需要使用內(nèi)部光學(xué)連接來獲取內(nèi)存數(shù)據(jù)并運行指令。

在能源相同的情況下，光學(xué)連接可以比電子電路更多更快地傳輸數(shù)據(jù)，該原型中的數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)300千兆比特/秒/平方毫米。

研究人員認(rèn)為，這個速度是電子微處理器成品的10到50倍。加州大學(xué)伯克利分校的一名研究員孫晨(音譯)認(rèn)為，帶寬的提高可以為數(shù)據(jù)中心節(jié)省大量能源。

據(jù)他估計，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器所使用的能源中有20%至30%被用于處理器、內(nèi)存和網(wǎng)卡之間的數(shù)據(jù)傳輸。

根據(jù)美國自然資源保護委員會的分析，到2020年，美國的數(shù)據(jù)中心每年將消耗1400億千瓦時的電力，這將耗資130億美元并排放出1億公噸的二氧化碳。

雖然光學(xué)連接已經(jīng)被廣泛用于長途通信連接，但要將其應(yīng)用到服務(wù)器和芯片上仍然存在很大的難度。光學(xué)組件的成本很高，需要專門的流程和材料，因此很難將其并入現(xiàn)有的半導(dǎo)體生產(chǎn)線。

 芯片近視圖

將光學(xué)組件像電子電路一樣集成在同一芯片上尤為困難。孫晨說：“研究人員只能用光學(xué)組件合成非常簡單的電路，而且這些系統(tǒng)仍然非常昂貴。”他和他的同事們希望通過在現(xiàn)有半導(dǎo)體設(shè)備上制造光學(xué)組件來降低成本。

原型芯片是用格羅方德公司經(jīng)營的半導(dǎo)體制造設(shè)施生產(chǎn)的，公司位于紐約費西基爾。

研究人員將他們的設(shè)計發(fā)送給公司，然后得到他們的測試芯片。這個工廠是老一代的工廠。如果要用制作當(dāng)今最好電路的先進設(shè)備生產(chǎn)集成芯片的話，還將需要做更多的工作。

在普通鑄造中使用傳統(tǒng)硅晶片實現(xiàn)芯片上內(nèi)存與處理器之間的光學(xué)連接是“一個重大的科技成就”，加州大學(xué)圣地亞哥分校的一名電氣工程師沙楊·穆克赫爾佳(Shayan Mookherjea)說道，他也正在從事數(shù)據(jù)中心的光學(xué)連接開發(fā)工作。

然而，他指出，用這種方法制造芯片需要蝕刻掉部分硅背襯，否則可能使光從芯片的工作部件中泄露出來。要可靠地完成這項工作非常困難。

但孫晨對此非常樂觀。今年5月，他成立了一個專門將設(shè)計商業(yè)化的公司。他說：“伯克利的Ayar實驗室正在針對數(shù)據(jù)中心進行產(chǎn)品開發(fā)，新產(chǎn)品可能在兩年之內(nèi)就能夠進入市場。”