مهندسان نسخه آزمایشی اولین پردازنده ای که از نور برای ارتباطات فوق سریع استفاده می کند را ساختند!

[stextbox id=”grey”]مهندسان توانستند الکترونها و فوتون ها را با موفقیت در یک تراشه ریزپردازنده القاح کنند، این واقعه ی برجسته درها را به روی پردازش فوق سریع و کم مصرف داده گشود.[/stextbox]

محققان دو هسته پردازنده با بیش از 70 میلیون ترانزیستور و 850 جزء فوتونی در یک چیپ 3 در 6 میلی متری جاسازی کردند.آنها با ساخت این ریزپردازنده در کارخانه ی تولید انبوه تراشه های کامپیوتری با عملکرد بالا، اثبات کردند که طراحیشان به راحتی و با سرعت آماده ی عرضه به بازار است.
مشخصات تراشه جدید قرار بود، در 24 دسامبر سال جاری در ژورنال نیچر چاپ شود، تا این طرح را به عنوان قدم بعدی در پیشرفت فناوری ارتباطات فیبر نوری به وسیله یکپارچه سازی اتصالات فوتونیک در یک ریزپردازنده،و یا یک ورودی و خورجی (I/O) قلمداد کند.
ولادمیر استویانوویچ پروفسور مهندسی الکترونیک و علوم کامپیوتر در دانشگاه کالیفرنیا برکلی که سرپرستی تیم توسعه این تراشه ارا به عهده داشت گفت: ” این یک مرحله مهم است. این اولین پردازنده ایست که از نور برای برقراری ارتباط با دنیای خارج استفاده می کند. هیچ پردازنده ی دیگری دارای I/O فوتونیک در تراشه خود نیست.”
استویانوویچ و همکارش در دانشگاه یو.سی. برکلی ، پروفسور اسانوویچ برای ساخت این ریزپردازنده جدید با Rajeev Ram در انستیتو Technology and Milos Popović ماساچوست از دانشگاه کلرادو و بودرهمکاری کردند.
اسانوویچ که به ساخت یک معماری رایگان و باز به نام RISC-V یا reduced instruction set computer که در پردازنده از آن استفاده می شود کمک کرده است گفت: ” این اولین بار است که ما سیستمی در این سطح را با هم ساخته ایم و آن را وادار به انجام کار مفیدی مانند اجرای یک برنامه کرده ایم.”
پهنای باند بیشتر انرژی کمتر
در مقایسه با سیم های الکترونیکی، فیبرهای نوری از پهنای باند وسیع تر و حمل داده بیشتر با سرعت بیشتر در فواصل دور و با مصرف کمتر انرژی بهره می برند. با وجود اینکه پیشرفت های حاصل شده در تکنولوژی ارتباطات نوری، انتقال داده ها بین دو کامپیوتر را به طرز چشم گیری بهبود بخشیده است، آوردن فوتونیک روی تراشه های کامپیوتری کار دشواری بوده است.
چرا که تا کنون کسی کشف نکرده بود که چگونه می تواند بدون تغییر خود فرایند،دستگاه های فوتونی را با فرایند ساخت پیچیده و گران قیمت مورد استفاده در ساخت تراشه های کامپیوتری ادغام کند. انجام این کار کلید معما بود چرا که موجب افزایش بیشتر هزینه ی ساخت و یا ریسک ناشی از شکست در ترانزیستورهای ساخته شده نمی شود.
محققین با استفاده از این تراشه در به کار انداختن چند برنامه کامپیوتری، که نیازمند دستورالعمل های ارسال و دریافت داده به و از حافظه بودند، کارکرد آن را در به هم وصل کردن ارتباطات فوتونی تایید کردند.
I/O فوتونی روی تراشه از نظر انرژی بسیار کارآمد است و فقط 1.3 پیکوژول به ازای هر بیت، که معادل با مصرف 1.3 وات از انرژی در ازای انتقال یک ترابیت داده در ثانیه است.
Chen Sun نویسنده و همکار تحقیقاتی آزمایشگاه Stojanović درBerkeley Wireless Research Center، فارغ التحصیل اخیر دکترا از دانشگاه UC Berkeley گفت:” مزیت تکنولوژی نوری این است که با همان مقدار انرژی می توانید چند سانتی متر، چند متر یا چند کیلومتر به جلو بروید.”” برای لینک های پرسرعت الکترونیکی، 1 متر نهایت حدی است که می توانید بدون نیاز به تکرارگر برای بازسازی سیگنال های الکترونیکی که به سرعت مقدار انژی مورد نیاز شما را افزایش می دهند، پیش بروید. برای اینکه یک سیگنال الکترونیکی 1 کیلومتر پیش برود، شما به هزاران پیکوژول به ازای هر بیت نیاز دارید.”
این موفقیت درها را به سوی عصر جدیدی از اپلیکیشن های نیازمند پهنای باند گشوده است. یکی از نزدیک ترین استفاده های قابل وقوع برای این تکنولوژی بهبود بخشیدن مراکز داده است. بنا به گفته Natural Resources Defense Council ، مراکز داده در 2013 91 بیلیون وات ساعت مصرف داشته اند که چیزی تقریبا دو درصد الکتریسیته مصرفی ایالات متحده می شود و این میزان همچنان در حال افزایش است.
تا کنون دو استارت اپ دیگر درباره ی مراکز از این تحقیقات مشتق شده است. SiFive در حال تجاری کردن پردازنده های RISC-V است در حالی که Ayar Labs بر اتصالات فوتونی مترمرکز شده است. در ابتدای امسال Ayar Labs تحت عنوان نام سابق خود OptiBit، جایزه MIT برای انرژی پاک را دریافت کرد.
این پیشرفت به موقع، همزمان با COP21 که گفتگوی سازمان ملل متحد درباره تعهدات نوین در زمینه محدود کردن گرمای جهانی است انجام شد.
در آینده ای نزدیک، می توان از این تکنولوژی در اپلیکیشن هایی مانند LIDAR، تکنولوژی رادار نوری که برای هدایت وسایل حمل و نقل خودکار و چشمان روبوت ها استفاده می شود، تصویربرداری اولتراسوند مغز و حسگر های جدید زیست محیطی استفاده کرد.
Fiat lux روی یک تراشه
محققین به چند کلید ابداعی برای مهار کردن قدرت نور درون تراشه دست یافتند.
هر یک از این کلیدها از که اجزای I/O فوتونی است مانند ring modulator، photodetector، و یک grating coupler عمودی، موجب کنترل و راهنمایی امواج نوری روی تراشه می شود، اما این طراحی باید خود را به اجبار با فرایندی که تصور می شد در اصل نسبت به اجزای فوتونی ناسازگار است سازگار می کرد. محققین برای اینکه نور را با کمترین خسارت و در یک لحظه قادر به حرکت در تراشه کنند از یک ترانزیستور با بدنه سیلیکونی به عنوان هادی امواج نور استفاده کردند. آنها با استفاده از ماسک های موجود برای دستکاری ناخالص سازی در فرایند ساخت و به کار بردن آنها در ساخت قسمت های مختلفی از ترانزیسورها قادر به انجام این کار شدند.
پس از وارد کردن نور در تراشه، محققین نیازمند راهی بودند که آن را کنترل کرده و وادار به حمل بیت های داده کنند. برای همین آنها پس از هدایت سلیکونی امواج یک حلقه ی سیلیکونی با محل اتصال p-n دوپ طراحی کردند تا مدولاسیون سریع و کم انرژی نور را فراهم کنند.
آنها از قسمت های سلیکون-ژرمانیم ترانزیستورهای مدرن – که یک بخش موجود در فرایند ساخت نیمه رساناست- استفاده کردند تا با استفاده از توانایی جذب نور ژرمانیم و تبدیل آن به الکتریسیته یک photodetector بسازند.
از یک grating coupler عمودی که موجب نفوذ پلی سیلیکون و لایه های سلیکن در راه های ابتکاری است جهت اتصال تراشه به دنیای خارج آن استفاده شده، که نور را به هادی موج بالا و بیرون تراشه هدایت می کند. محققین اجزای الکترونیکی را به محکمی کنار دستگاه های فوتونی گرد آورده اند تا قادر به انجام عملیات ثابتی را فضای متخاصم تراشه باشند.
ابداع کنندگان تاکید کرده اند که تمامی این انطباقات با پارامترهای موجود در سیستم های ساخت ریزپردازنده ها انطباق دارد و بهبود بخشیدن اجزا برای اصلاح کارکرد تراشه کاری دشوار نخواهد بود.

منبع : cellular-news.com