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可直接利用光通訊的光速處理器即將面世

日期:2015-12-30

來自美國加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)、麻省理工學院(MIT)與科羅拉多大學波德分校(CU-Boulder)的一組跨校際研究人員宣稱開發出一種高度整合的光子系統,其中包含一款內建處理器、記憶體與大量光收發器的晶片。
研究人員指出,這項開發成果可望解決晶片間資料通訊頻寬日益增加(電子訊號傳輸的定律)帶來的挑戰。如今,基于電路的串列解串器(SerDes)互連已經遠遠超越了過去認為可實現的程度,但接下來很快地將會面對限制。

數十年來業界持續推出各種光學解決方案,但制造完全整合光收發器和電流產生邏輯的單晶片組合一直存在挑戰。諸如FPGA供應商Altera等商業供應商已經推出了系統級封裝(SiP)解決方案,其光收發器可作為獨立晶片整合于矽基板上,緊密地耦合至邏輯晶片上(即2.5D整合),但至今尚無產品上市。

限制這種發展的問題之一是必須在與快速密集邏輯晶片相同的制程上整合光發射器;以及必須使用截然不同的半導體制程,因而還有熱與功率的問題尚待解決。因此,這支跨校研究小組在《自然》(Nature)期刊中發布的開發成果解決了部份的問題,但其方法并不是在整合的基板產生光,而是透過外部產生雷射光照射晶片,并透過擷取部份光進行調節后耦合至光纖的方法來傳送資料。

研究展示采用兩款相同的光子處理器晶片,內含超過7,000萬顆電晶體——每一款晶片中都包含了雙核心RISC-V處理器核心、850個光收發器以及1MB記憶體——從而驗證了光學鏈路的能力。這項測試是在其中一款IC的核心上執行程式碼,但利用另一款IC的記憶體,二者之間由光學鏈路連接。透過功率分配器,單一雷射光源照射每個晶片上的環形調變收發器,而經調節的光源則經由光學放大器路由至另一晶片的接收器。在每一個IC、處理器核心與記憶體陣列都有各自專用的電光收發器位置。完整的IC尺寸為3 x 6 mm。

在此測試建置中,光纖定位器在每個晶片上定位三類(照明/接收/傳送)光纖。利用可選的基板移除技術進行制造,從而可控制光電存取晶片資源。

記憶體測試以及圖形渲染程式顯示光學鏈路作業可實現零誤碼率(BER)。研究人員并觀察到環形調變器對于其熱操作點的敏感度,使其得以保持對準雷射光的波長;此外,還必須使用閉環的晶片加熱器以穩定操作溫度,否則只要有不到1℃的變化就足以導致傳輸發生錯誤。

研究小組還補充說,“......為了制造光子而開發客制的制程,可能會導致復雜化或無法大規模整合先進電晶體以及實現需要的良率,因此,我們采用現代微處理器所用的標準微電子代工制程來設計元件。這項開發展示可望開啟一個晶片級光電系統的新時代,未來它還將有潛力改寫整個運算系統架構,為整個網路架構到資料中心與超級電腦帶來更強大的電腦?!?/span>
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