美國(guó)研究人員日前首次在微處理器集成電路芯片內(nèi)融入光子元件，為創(chuàng)制高速低功耗計(jì)算機(jī)處理器探索途經(jīng)。

這一處理器采用簡(jiǎn)化指令組計(jì)算機(jī)(RISC-V)架構(gòu)，包含超過7000萬個(gè)晶體管和850個(gè)光子元件，而且是在一座現(xiàn)有芯片工廠內(nèi)制作，顯示出相關(guān)工藝與現(xiàn)有生產(chǎn)程序可以兼容。

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

“這是一個(gè)里程碑，”加利福尼亞大學(xué)伯克利分校電氣工程和計(jì)算機(jī)系副教授弗拉迪米爾·斯托亞諾維奇說，因?yàn)?ldquo;這是第一個(gè)用光線實(shí)現(xiàn)與外部世界(數(shù)據(jù))通信的處理器”。

光學(xué)通信與電子通信相比，有帶寬大、功耗低等優(yōu)勢(shì)。光學(xué)通信迄今已極大改善計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，即計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信，但把這些效能引入計(jì)算機(jī)內(nèi)或計(jì)算機(jī)微處理器芯片內(nèi)部并不容易。

商業(yè)化大規(guī)模電子集成電路制造工藝復(fù)雜、設(shè)備昂貴，所以研究人員著力降低在芯片內(nèi)引入光子元件所需增加的成本以及可能導(dǎo)致的殘次品率。所以，他們?cè)谖g刻環(huán)形調(diào)制器、光探測(cè)器、垂直耦合器等光子元件時(shí)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(dāng)波導(dǎo)管。

該項(xiàng)目的研究人員在英國(guó)《自然》雜志上發(fā)表的論文說，運(yùn)行各種計(jì)算機(jī)程序的結(jié)果顯示，這一芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)通信帶寬為每平方毫米300千兆比特，相當(dāng)于市場(chǎng)上現(xiàn)有“純電子”微處理器內(nèi)通信帶寬的10至50倍。

測(cè)試結(jié)果還表明，這一芯片內(nèi)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?cái)?shù)據(jù)僅消耗電力1.3瓦。此外，光子輸入/輸出端口在實(shí)驗(yàn)中發(fā)出并接受數(shù)據(jù)的距離是10米，而高速電子數(shù)據(jù)線路的傳輸距離極限大約是1米。

據(jù)研究人員推測(cè)，這種功耗小的光子輸入/輸出端口有望被“數(shù)據(jù)中心”之類的單位所采用，這類數(shù)據(jù)中心往往消耗大量電力，而且這種耗電量有可能繼續(xù)快速增加。依照美國(guó)自然資源保護(hù)理事會(huì)的說法，美國(guó)所有數(shù)據(jù)中心2013年合計(jì)耗費(fèi)電力大約910億千瓦小時(shí)，相當(dāng)于全美當(dāng)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(nèi)融入光子元件的技術(shù)應(yīng)用前景在美國(guó)已催生了兩家初創(chuàng)企業(yè)，其中一家與加利福尼亞大學(xué)伯克利分校及其研究人員直接有關(guān)。