美研究人員將光子元件融入微處理器

　　美國研究人員日前首次在微處理器集成電路芯片內融入光子元件，為創制高速低功耗計算機處理器探索途經。

　　這一處理器采用簡化指令組計算機(RISC-V)架構，包含超過7000萬個晶體管和850個光子元件，而且是在一座現有芯片工廠內制作，顯示出相關工藝與現有生產程序可以兼容。

　　這項究由加利福尼亞大學伯克利分校、麻省理工學院和科羅拉多大學博爾德分校的研究人員合作實施。項目專家介紹說，上述微處理器芯片呈長方形，各邊尺寸分別為3毫米和6毫米，其中光子元件充當輸入/輸出端口。

　　 “這是一個里程碑，”加利福尼亞大學伯克利分校電氣工程和計算機系副教授弗拉迪米爾·斯托亞諾維奇說，因為“這是第一個用光線實現與外部世界(數據)通信的處理器”。

　　光學通信與電子通信相比，有帶寬大、功耗低等優勢。光學通信迄今已極大改善計算機與計算機之間的數據通信，即計算機網絡通信，但把這些效能引入計算機內或計算機微處理器芯片內部并不容易。

　　商業化大規模電子集成電路制造工藝復雜、設備昂貴，所以研究人員著力降低在芯片內引入光子元件所需增加的成本以及可能導致的殘次品率。所以，他們在蝕刻環形調制器、光探測器、垂直耦合器等光子元件時盡可能地利用硅鍺晶體管、多晶硅和單晶硅層的特性，以晶體管的管體充當波導管。

　　該項目的研究人員在英國《自然》雜志上發表的論文說，運行各種計算機程序的結果顯示，這一芯片內的數據通信帶寬為每平方毫米300千兆比特，相當于市場上現有“純電子”微處理器內通信帶寬的10至50倍。

　　測試結果還表明，這一芯片內光子輸入/輸出端口的功耗是每比特1.3微微焦耳，即傳輸1兆兆比特數據僅消耗電力1.3瓦。此外，光子輸入/輸出端口在實驗中發出并接受數據的距離是10米，而高速電子數據線路的傳輸距離極限大約是1米。

　　據研究人員推測，這種功耗小的光子輸入/輸出端口有望被“數據中心”之類的單位所采用，這類數據中心往往消耗大量電力，而且這種耗電量有可能繼續快速增加。依照美國自然資源保護理事會的說法，美國所有數據中心2013年合計耗費電力大約910億千瓦小時，相當于全美當年總體電力消耗的約2%。

　　 2015年，這種在微處理器集成電路芯片內融入光子元件的技術應用前景在美國已催生了兩家初創企業，其中一家與加利福尼亞大學伯克利分校及其研究人員直接有關。