Vědci vyrobili elektronicko-fotonický procesor. Uvnitř komunikuje světlem

0

V současnosti je jedním z hlavních faktorů limitujících výkon procesorů (ale také pamětí a různých propojujících rozhraní) spotřeba. I z tohoto důvodu (kromě rychlosti) se právě u různých komunikačních rozhraní nasazují optické kabely, výhledově má na světlo přejít dokonce i PCI Express. V tomto oboru se nyní vědcům z několika amerických univerzit podařil průlom. Vyrobili totiž čip, který má optické (neboli fotonické) komunikační cesty přímo v sobě místo elektrických vodičů – ačkoliv část čipu stále funguje na elektrickém principu, z části jde už o opticky/fotonicky fungující procesor.

Úspěch se podařil týmu z University of Colorado, MIT a kalifornského Berkeley. Již před časem jsme zde sice měli zprávu o fotonických transceiverech, které přímo na čip integrovalo IBM, tehdy však šlo o výstupní rozhraní, kdežto zde o stěžejní součást samotných vnitřností. Jde tedy o prototyp čipů, v nichž by například interní sběrnice, propojení cache, komponent a jader bylo realizováno opticky.

Experimentální procesor s optickou vnitřní sběrnicí

Vzniklý čip o rozměrech 3 × 6 mm a s celkem 70 miliony tranzistorů obsahuje dvě CPU jádra (pro ty je použita volně dostupná architektura RISC-V, což je zajímavý detail). K tomu má integrovaný 1 MB paměti SRAM. Komunikace mezi jádry a pamětí je právě realizována oním optickým rozhraním, které má ovšem být použitelné i pro komunikaci s externími komponentami. Celkem 850 převodníků (transceiverů) z elektrického signálu na světlo či opačně je přitom přímo součástí čipu, nejsou třeba žádné zvláštní součástky navíc.

Detaily čipu: vertikální pruh vpravo jsou jádra CPU, vlevo pruh nahoře SRAM, spodní pruh by měly být optické obvody
Detaily čipu: vertikální pruh vpravo jsou jádra CPU, vlevo pruh nahoře SRAM, spodní pruh by měly být optické obvody

Přenos signálu světlem na danou vzdálenost spotřebuje méně energie než elektrické vodiče, což umožňuje zvýšit výkon, navíc je možné přenášel více barev najednou jedním „drátem“. Optická komunikace na čipu, ale i mimo čip by proto mohla značně zlepšit dostupnou propustnost. V přepočtu na plochu je údajně u pokusného procesoru lepší deseti až padesátinádobně. V absolutních číslech pokusná implementace nicméně příliš neohromí, propustnost jedné optické linky je údajně 2,5 Gb/s. Pro srovnání CPU čipu má prý běžet na zhruba 31 MHz.

Toto by měl být přímo optický transceiver. Nahoře řídící elektronické tranzistory
Toto by měl být přímo optický transceiver. Nahoře řídící elektronické tranzistory

 

Vyrobeno na běžném 45nm procesu

Podstatný detail je, že výroba čipu s integrovanými optickými rozhraními a sběrnicemi nevyžaduje nějaké speciální postupy. Vědci jej vyrobili údajně na standardním křemíkovém procesu. Pro případné komerční nasazení této technologie je to velmi dobře. Údajně šlo o komerční 45nm proces typu SOI, tedy výrobu, jakou používalo AMD pro Phenomy II (údajně se jedná o „výkonný“ proces, spíše než ten AMD/GlobalFoundries ale asi šlo o americkou továrnu IBM). Zda ale použitý postup SOI vyloženě vyžaduje, nevíme. Možná bychom se pak ještě díky tomu dočkali renesance této technologie.

 

Kdy ale budou optické komponenty v čipech nasazeny běžně a takový procesor si budeme moci koupit, je věc jiná. Ačkoliv výroba dnešními postupy je zdá se realizovatelná, neznamená to, že bude hned ekonomicky průchodná. Návrh velkých a rychlých komerčních čipů je také něco jiného než experimentální implementace, zřejmě bude léta trvat, než inženýři optické sběrnice vyladí. V příštích pěti letech se tak patrně se světelnými CPU nesetkáte, v příštích deseti by ale třeba už něco nastat mohlo.

Zdroje: The Tech Report, University of Colorado, Nature

Ohodnoťte tento článek!