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使用现有的芯片技术制造的光电微处理器

2016-1-27 11:53| 发布者: 书书爱材料| 查看: 1486| 评论: 3|来自: 材料人网
摘要: 材料人网注:麻省理工学院,加州大学伯克利分校和科罗拉多大学的研究人员利用仅发现于现有的微芯片制造设备中的流程,制作了一个光电微处理器,它以电子方式计算,但使用光来传送信息。该芯片可以降低功耗,但也使得 ...
材料人网注:麻省理工学院,加州大学伯克利分校和科罗拉多大学的研究人员利用仅发现于现有的微芯片制造设备中的流程,制作了一个光电微处理器,它以电子方式计算,但使用光来传送信息。该芯片可以降低功耗,但也使得当前半导体工程更具有挑战性。

麻省理工学院、加州大学伯克利分校和科罗拉多大学的研究人员利用仅发现于现有的微芯片制造设备中的流程,制作了一个光电微处理器,它以电子方式计算,但使用光来传送信息。该芯片可以降低功耗,但也使得当前半导体工程更具有挑战性。
 
光通信可以显著降低芯片的功耗,这对于保持我们一直期待的稳定增长的计算能力至关重要。这表明光学芯片可以在不改变现有的半导体制造工艺的条件下制造,应该使光通信对于计算机行业更具吸引力。但它也使一个已经令人望而生畏的工程挑战更加困难。

研究人员已经制作了可以工作的光电芯片,它采用电子计算,但使用光来传送信息。该芯片具有850个光学元件和70万个晶体管,它们虽然比典型的微处理器的十亿晶体管的零头还少,但足以展示商用光学芯片将需要的全部功能。  “你必须使用全新的理论和工艺设计,找出制造晶体管的成分和工艺配方,并使用这些来制造光电探测器,光调制器,导波管,光学过滤器和光学接口,”麻省理工学院教授的电气工程拉杰夫拉姆如是说,这些光学元件是必要的,需要用它们将数据进行编码到不同波长的光,通过芯片传送,然后对其进行解码。“你怎么只用晶体管的外层制造所有的光学器件?这感觉有点像“百战天龙”里的一个小插曲——他仅用旧的电脑配件便建起了一个光网络。”

该项目一开始是拉姆,弗拉基米尔•斯托亚诺维奇和Krste Asanovic的合作,这三人当时在麻省理工大学电气工程和计算机科学系工作。斯托亚诺维奇和Asanovic搬到伯克利,而拉姆和米洛什A.波波维奇,在成为科罗拉多大学电气工程助理教授之前,分别是麻省理工学院的研究生和博士后,都是《自然》杂质上一篇介绍新型芯片的论文的主要作者。(“直接利用光通信的单芯片微处理器”) 随后有19名合作作者加入,工作结束的时候其中8位来自MIT,其中包括4名第一作者的2名:研究生Chen Sun 和 Jason Orcutt,后来加入了IBM的TJ Watson研究中心。

 “关掉电源”

该芯片具有850个光学元件和70万个晶体管,它们虽然比典型的微处理器的十亿晶体管的零头还少,但足以展示商用光学芯片将需要的全部功能。在测试中,研究人员发现他们的晶体管的性能与在相同设备中制造的全电子计算设备并没有实质差别。

计算机芯片不断地在逻辑电路和内存之间来回搬运数据,今天的芯片之间无法跟上足够的数据提供给,需要不断增加的速度优势的逻辑电路。提高逻辑电路和存储器之间的电连接的带宽需要更多的电力,这将提高芯片的工作温度,不利于可持续使用。

原则上来说,光学数据连接更加节能。不像电气连接,它们的功率要求不会随距离增加而显著增加。因此,光纤连接的距离远远超越微米级别,可达到“米”的量级,但同时在性能上几乎没有损失。

研究人员的芯片是由GlobalFoundries制造的,GlobalFoundries是一家使用绝缘硅片的半导体制造公司,这意味着在它的产品中,硅层由于玻璃层的存在而绝缘。研究人员在硅晶片上的玻璃薄层上建立波导——引导光的光学部件。然后,他们蚀刻掉硅,硅和玻璃折射率的不同有助于光通过波导行进。

不一致的需求

利用晶体管制造工艺来生产光学元件的困难之一在于晶体管的元件是用来导电的,至少有时候用来导电。但是导电就需要自由电荷载体,这会导致光粒子吸收,限制光传输。

然而,通常情况下,计算机芯片中负电荷载体(电子)和正电荷载体(空穴)都用来导电。“这意味着,在某个地方,应该有某种方式来……”Ram解释说:“我们只需要搞清楚怎么做即可。”

在光电芯片中,在某些时候,光信号必须被转换为电信号。但与金属的接触也干扰光学数据传输。研究人员发现了一种方式来将金属用在一个称为环形谐振器的光学部件的内圈上。金属不与围绕谐振器的外环行进的光进行相互作用,但是当施加电压时,它可以修改谐振器的光学特性或记录携带数据的光信号的改变,允许它在光信号和电信号之间来回转换。

在新型芯片上,研究人员展示了用这些环形谐振器制造的光探测器,它们很敏感,可以使得传输一个字节信息的能量损失降到一个微焦耳或者是全电子芯片在很短距离上传输信息所耗能量的十分之一。

“新的文章肯定是一个重要的结果,” 美国国防部的国防分析研究员Jagdeep Shah说,“这不是大规模的,是到达那儿需要的必要的步骤。但是这是朝着这个方向迈出的好的一步。

“我认为GlobalFoundries公司的流程是工业标准45纳米设计流程,”Shah补充说,“没必要担忧这些元件无法制造。”

翻译:郑德群   审核:李卓

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