Американские исследователи создали первый в истории процессор, который обменивается данными с другими компонентами вычислительной системы при помощи света. Чип был создан на базе существующего оборудования с применением традиционных материалов. Авторы работы считают, что нет никаких препятствий для освоения промышленных объемов выпуска нового изделия.

Первый процессор среди себе подобных.

Исследователи из Массачусетского технологического института, Калифорнийского университета в Беркли и Университета Колорадо в Боулдере (США) разработали процессор, который обменивается данными с другими компонентами вычислительной системы с помощью света, а не электронов.

Чип размером 3 x 6 мм содержит два стандартных вычислительных ядра с более 70 млн транзисторами и 850 элементов для передачи света. Он базируется на архитектуре RISC-V и был изготовлен с применением таких традиционных в микроэлектронике материалов, как кремний и германий, на заводе, на котором осуществляется серийный выпуск современных микросхем, передаёт cnews.ru.

«Это первый процессор, использующий фотоны для связи с внешним миром. Ни один другой чип в мире не обладает фотонной системой ввода/вывода», — прокомментировал руководитель проекта Владимир Стоянович, доцент кафедры электротехники и компьютерных наук Калифорнийского университета в Беркли.

«Впервые в истории мы смогли создать систему подобного масштаба и впервые запустить на ней полезную нагрузку», — добавил Милос Попович, член команды разработчиков нового чипа из Университета Колорадо.

Преимущества фотонной системы.

По сравнению с традиционными токопроводниками оптоволоконные каналы предлагают более высокую пропускную способность, позволяя передавать больше данных на более высоких скоростях, на большие дистанции и с меньшими потерями. Однако несмотря на то, что фотоника предлагает очевидные преимущества вычислительным системам, практические внедрение ее принципов — мероприятие довольно сложное.

Дело в том, что до сих пор никто не мог добиться интеграции оптических компонентов в сложные и дорогостоящие отлаженные производственные процессы, служащие для выпуска современных компьютерных чипов, без их кардинального изменения.

Перспективность нового процессора.

Исследователи проверили работоспособность созданного ими чипа со световой коммутацией, «прогнав» через него ряд компьютерных программ, заставляющих процессор выполнять вычислительные операции, принимать и отсылать данные в оперативную память через оптоволоконное соединение.

В ходе эксперимента исследователи установили, что процессор способен обеспечивать скорость передачи данных 300 гигабит в секунду на квадратный миллиметр, что в 10-50 раз выше по сравнению с современными коммерческими процессорами, которые взаимодействуют с другими компонентами вычислительной системы по металлическим проводникам.

Процессор с фотонной системой ввода/вывода выгодно отличился и в плане энергопотребления, которое составило всего 1,3 пикоджоулей в расчете на один бит переданной информации, что эквивалентно 1,3 ватта в расчете на передачу 1 терабита данных в секунду. В экспериментальных условиях передача данных осуществлялась на расстоянии 10 метров.

Новая эра на рынке дата-центров.

Работа исследователей открывает двери в новую эру приложений с интенсивной передачей данных. Ближайшей сферой применения процессоров с фотонной коммуникацией являются дата-центры, в которых существует проблема возрастающего энергопотребления. По данным Национального совета США по охране природных ресурсов, в 2013 г. на дата-центры в США пришлось около 91 млрд киловатт-часов энергопотребления, что составило около 2% от общего энергопотребления в стране. Процессоры нового типа помогли бы решить проблему возрастающего энергопотребления дата-центров.

Производство без существенной модернизации.

Исследователи рассчитывают, что чипы, в которых оптические компоненты объединены с электрическими цепями, можно будет выпускать в промышленных масштабах на существующих полупроводниковых заводах без существенной модернизации производственного оборудования.

На базе исследования уже создано два стартапа. Первый стартап — SiFive — занимается коммерциализацией процессоров с архитектурой RISC-V, второй — Ayar Labs — сфокусировался на разработке фотонных систем ввода/вывода. Ранее в 2015 г. стартап Ayar Labs (его предыдущее название OptiBit) получил награду Массачусетского технологического института.