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可直接利用光通讯的光速处理器即将面世

日期:2015-12-30

来自美国加州大学柏克莱分校(UC Berkeley)、麻省理工学院(MIT)与科罗拉多大学波德分校(CU-Boulder)的一组跨校际研究人员宣称开发出一种高度整合的光子系统,其中包含一款内建处理器、记忆体与大量光收发器的晶片。
研究人员指出,这项开发成果可望解决晶片间资料通讯频宽日益增加(电子讯号传输的定律)带来的挑战。如今,基于电路的串列解串器(SerDes)互连已经远远超越了过去认为可实现的程度,但接下来很快地将会面对限制。

数十年来业界持续推出各种光学解决方案,但制造完全整合光收发器和电流产生逻辑的单晶片组合一直存在挑战。诸如FPGA供应商Altera等商业供应商已经推出了系统级封装(SiP)解决方案,其光收发器可作为独立晶片整合于矽基板上,紧密地耦合至逻辑晶片上(即2.5D整合),但至今尚无产品上市。

限制这种发展的问题之一是必须在与快速密集逻辑晶片相同的制程上整合光发射器;以及必须使用截然不同的半导体制程,因而还有热与功率的问题尚待解决。因此,这支跨校研究小组在《自然》(Nature)期刊中发布的开发成果解决了部份的问题,但其方法并不是在整合的基板产生光,而是透过外部产生雷射光照射晶片,并透过撷取部份光进行调节后耦合至光纤的方法来传送资料。

研究展示采用两款相同的光子处理器晶片,内含超过7,000万颗电晶体——每一款晶片中都包含了双核心RISC-V处理器核心、850个光收发器以及1MB记忆体——从而验证了光学链路的能力。这项测试是在其中一款IC的核心上执行程式码,但利用另一款IC的记忆体,二者之间由光学链路连接。透过功率分配器,单一雷射光源照射每个晶片上的环形调变收发器,而经调节的光源则经由光学放大器路由至另一晶片的接收器。在每一个IC、处理器核心与记忆体阵列都有各自专用的电光收发器位置。完整的IC尺寸为3 x 6 mm。

在此测试建置中,光纤定位器在每个晶片上定位三类(照明/接收/传送)光纤。利用可选的基板移除技术进行制造,从而可控制光电存取晶片资源。

记忆体测试以及图形渲染程式显示光学链路作业可实现零误码率(BER)。研究人员并观察到环形调变器对于其热操作点的敏感度,使其得以保持对准雷射光的波长;此外,还必须使用闭环的晶片加热器以稳定操作温度,否则只要有不到1℃的变化就足以导致传输发生错误。

研究小组还补充说,“......为了制造光子而开发客制的制程,可能会导致复杂化或无法大规模整合先进电晶体以及实现需要的良率,因此,我们采用现代微处理器所用的标准微电子代工制程来设计元件。这项开发展示可望开启一个晶片级光电系统的新时代,未来它还将有潜力改写整个运算系统架构,为整个网路架构到资料中心与超级电脑带来更强大的电脑。”
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