Mikroskopbilde som viser alle de elektriske og optiske komponentene i prosessoren. (Bilde: Chen Sun/UC Berkeley)
Den elektronikk-fotonikk-baserte prosessorbrikken kommuniserer med omverdenen ved hjelp av lys. De røde og grønne lysbåndene på bildet er lagt til kun for effektens skyld. (Bilde: Glenn J. Asakawa/University of Colorado)
Lysstrålene som tilsynelatende stråler ut fra prosessoren, er tegnet på for å vise at prosessoren snakker med omverdenen ved hjelp av lys. (Bilde: Glenn J. Asakawa/University of Colorado)

Fotonikk

Denne prosessoren bruker lys til å kommunisere

Gjennombrudd på veien mot raskere datamaskiner.

Det har lenge vært snakket om å erstatte de elektriske kommunikasjonslinjene i datamaskiner med optikk, men først nå har det blitt lagd en prosessor som kan utnytte dette.

I forrige uke kunngjorde forskere ved MIT, University of California at Berkeley og University of Colorado at de har utviklet og demonstrert det som skal være den første prosessoren som bruker lys til å kommunisere med omgivelsene.

RISC-basert

Prosessoren består av to RISC-V-baserte kjerner med til sammen 70 millioner transistorer og 850 optiske komponenter. Hele brikken måler 3 x 6 millimeter.

Fiberoptikk har lenge blitt brukt i forbindelse med kommunikasjon mellom datamaskiner, men det har vist seg vanskelig i integrere optiske komponenter inn i produksjonsprosessen som brukes for å produsere elektroniske brikker, uten at måtte endre hele prosessen.

En slik endring vil ikke bare være kostbar å implementere, men man risikerer også høyere feilrate blant transistorene. Den elektro-fotoniske prosessoren som forskerne har utviklet, er derimot produsert med en utbredt produksjonsprosess hos GlobalFoundries, som til daglig masseproduserer raske databrikker. Dette skal kunne bevise at designen relativt raskt og enkelt kan tas i bruk i forbindelse med kommersiell produksjon.

Milepæl

– Dette er en milepæl. Det er den første prosessoren som kan bruke lys til å kommunisere med den eksterne verdenen, sier Vladimir Stojanović, førsteamanuensis i elektroteknikk og informatikk ved University of California, Berkeley, i en pressemelding.

Stojanović har ledet utviklingen av brikken. Han sier videre at ingen annen prosessor har den fotonikkbaserte I/O-en innebygd i selve brikken.

Produksjonsprosessen som er benyttet kalles for SOI (Silicon on Isolator), noe som innebærer at lagene med silisium er isolert av lag med glass. Forskjellen i brytningsindeksen til glass og silisium brukes blant annet når lyset ledes gjennom brikken. Fotodetektorene er blitt lagd av silisium-germanium, som også er et vanlig materiale i mange brikkeprosesser.

Fordeler

Det er flere fordeler med å bruke lys i stedet for elektrisitet i forbindelse med kommunikasjon. Fiberoptikk støtter større båndbredde og kan levere mer data ved høyere hastigheter over lengre avstander, samtidig som det brukes mindre energi.

Forskerne har målt at båndbreddetetthet på 300 gigabit per sekund per kvadratmillimeter.

Dette skal være mellom 10 og 50 ganger høyere enn det som kan oppnås med dagens kommersielt tilgjengelige mikroprosessorer, som kun er basert på elektronikk.

Forskerne har i også målt at brikken bruker 1,3 picojoule på i sende 1 bit med data. Dette tilsvarer 1,3 watt per terabit med data per sekund. I eksperimentet var mottakeren plassert ti meter unna.

– Fordelen med optikk er at med den samme effekten, kan du sende noen få centimeter, noen få meter eller noe få kilometer, sier Chen Sun, som nylig fullførte sin doktorgrad ved laboratoriet til Stojanović ved Berkeley Wireless Research Center. Chen Sun er medforfatter av den vitenskapelige artikkelen som nå er publisert i papirutgaven av Nature.

– For høyhastighets elektriske forbindelser, er én meter omtrent grensen før du har behov for repeatere til å regenerere det elektriske signalet, og dette økes raskt med mengden av effekt det er behov for. For at et elektrisk signal skal kunne reise én kilometer, trenger du tusenvis av picojoule for hver bit, sier Chen Sun i en pressemelding.

Bruksområder

I første omgang ser forskerne for seg datasentre som aktuelle bruksområder for teknologien. Behovet for å redusere strømforbruket til slike sentre er enormt, samtidig som at det stadig bygges nye datasentre over store deler av verden.

Forskerne mener at teknologiene noe senere også vil kunne brukes i forbindelse med blant annet LIDAR – lysbasert radarteknologi som brukes av blant annet selvstyrende biler og roboter. Andre potensielle bruksområder er ved ultralydundersøkelser av hjernen og i forbindelse med kommende biosensorer.

Til toppen