第一款光子处理器

北京时间12月24日消息，最近美国三所大学的研究人员开发出一款光子芯片，它可以用光来传输数据，速度比过去的芯片大幅提升，能耗也大大减少。研究者宣称这是第一款成熟的、用光传输数据的处理器。芯片每平方毫米处理数据的速度达到300Gbps，比现有的标准处理器快10倍甚至50倍。这是人类首次在微处理器集成电路芯片内融入光子元件，为创制高速低功耗计算机处理器探索途径。

这一处理器采用简化指令组计算机(RISC-V)架构，采用超过7000万个晶体管和850个光子元件（用来发送和接收光）组成2个处理器内核，整个芯片只有3 X 6毫米大。而且这个处理器是在一座现有芯片工厂内制作，显示出相关工艺与现有生产程序可以兼容。

在20世纪40年代时，电脑和房间一样大，今天的电脑与那时的电脑已经有了很大的不同，但它们传输数据的方式是一样的，都是在金属线中传递电子信号。英特尔和IBM等芯片企业都已经在研究硅光子(Silicon Photonics)，但至今无法真正用在商业上。美国科罗拉多大学Berkeley校区、麻省理工学院、科罗拉多大学Boulder校区的研究人员开发出第一款光子芯片是重大的突破，他们预测最早到2017年就可以测试商用版本的光处理器。

在今天的电脑和智能手机中，电信号在金属线中传输，它将处理器、内存、网络、存储设备、USB接口等连接起来。在国家与国家之间则用光纤连接。光纤可以传输海量数据，但它的造价太贵。

美国大学的研究人员希望能改变这一切，他们将电子组件直接安装在芯片中，并用来传送和接受光信号。该项目的研究人员在英国《自然》杂志上发表的论文说，运行各种计算机程序的结果显示，这一芯片内的数据通信带宽为每平方毫米300千兆比特，相当于市场上现有“纯电子”微处理器内通信带宽的10至50倍。

测试结果还表明，这一芯片内光子输入/输出端口的功耗是每比特1.3微微焦耳，即传输1兆兆比特数据仅消耗电力1.3瓦。此外，光子输入/输出端口在实验中发出并接受数据的距离是10米，而高速电子数据线路的传输距离极限大约是1米。

据研究人员推测，这种功耗小的光子输入/输出端口有望被“数据中心”之类的单位所采用，这类数据中心往往消耗大量电力，而且这种耗电量有可能继续快速增加。依照美国自然资源保护理事会的说法，美国所有数据中心2013年合计耗费电力大约910亿千瓦小时，相当于全美当年总体电力消耗的约2%。

研究人员已经在室验室制作出原型产品，如果产品可以走向市场，消费者将大大受益。数据中心内安装成千上万的服务器，硅光子技术可以提升运算速度；在个人电脑和智能手机上，硅光子可以打破性能瓶颈，同时又不牺牲电池续航时间。今天的计算产业普遍面临一个问题：无法让芯片运算得更快，硅光子却没有这样的困扰，它不需要芯片运算得更快。相反，研究人员会让硅芯片一直输送数据且不会闲置，从而有效提升整体性能。

负责芯片开发的副教授Vladimir Stojanovic说，开发出第一款能在外部世界通信的光芯片是重大突破，至于商业化，最大的挑战在于找到廉价的方法封装芯片。他认为，出于成本考虑，光芯片技术最先会用在数据中心中，然后才能进入到小设备。Stojanovic还说：“我们预计封装芯片最先会进入数据中心，然后它会变得足够便宜，最终在手机和PC中普及。”

研究人员的构想并非是纯粹的创意，已经有两家创业公司参与到光芯片的商业化运动之中。一家是Ayar Labs，它希望将光子互连技术商品化，还有一家是SiFive，它们希望在免费的RISC-V芯片设计方案上建立新业务。

在不久的将来，Stojanovic预计光子将可以连接电脑内的独立芯片，将一颗芯片与另一颗芯片相连。除此之外，硅光子技术还可以改进激光雷达的性能，无人驾驶汽车的激光传感器、脑显像和环境传感器的性能都会大大提升。

硅光子有望重新改写历史，彻底改变电脑组合的方式。电信号传输受到了线缆长度的制约，例如，当标准USB连接的传输速度提高10倍时，最大线缆长度从16英尺降到了10英气。光连接却不会出现这样的问题，它的速度更快，信号不会衰减，美国大学展示的原型芯片是用10米的光连接的，它可以轻易扩展到千米。

有了硅光子芯片，数据中心的电脑不必浪费时间等待另一台电脑的响应。Stojanovic说：“我们的光解决方案可以让处理器更快接入网络。”

电信号通过金属线传输，光连接只需要小小的能量就行了，芯片自己就能供应能量，这样可以节省电的成本，也不会存在电子元件过热的问题。

原型芯片是用不常见的材料制作的，它将硅和锗结合，制造过程很困难，成本也很高。但最近一段时间，研究人员取得了进步，他们改良了硅光子技术，在芯片中使用了更多的硅材料。

消息来源：

Optoelectronic microprocessors built using existing chip manufacturing

文章链接：

Single-chip microprocessor that communicates directly using light

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