光處理器揭秘：未來世界的強勁大腦

2025-03-12 04:02:24

       美國研究人員日前首次在微處理器集成電路晶片內融入光子元件，為創製高速低功耗計算機處理器探索途經。

       這一處理器採用簡化指令組計算機(RISC-V)架構，包含超過7000萬個電晶體和850個光子元件，而且是在一座現有晶片工廠內製作，顯示出相關工藝與現有生產程序可以兼容。

       這項研究由加利福尼亞大學伯克利分校、麻省理工學院和科羅拉多大學博爾德分校的研究人員合作實施。

       項目專家介紹說，上述微處理器晶片呈長方形，各邊尺寸分別為3毫米和6毫米，其中光子元件充當輸入/輸出埠。

      「這是一個裡程碑，」加利福尼亞大學伯克利分校電氣工程和計算機系副教授弗拉迪米爾·斯託亞諾維奇說，因為「這是第一個用光線實現與外部世界(數據)通信的處理器」。

       光學通信與電子通信相比，有帶寬大、功耗低等優勢。光學通信迄今已極大改善計算機與計算機之間的數據通信，即計算機網絡通信，但把這些效能引入計算機內或計算機微處理器晶片內部並不容易。

       商業化大規模電子集成電路製造工藝複雜、設備昂貴，所以研究人員著力降低在晶片內引入光子元件所需增加的成本以及可能導致的殘次品率。所以，他 們在蝕刻環形調製器、光探測器、垂直耦合器等光子元件時儘可能地利用矽鍺電晶體、多晶矽和單晶矽層的特性，以電晶體的管體充當波導管。

       該項目的研究人員在英國《自然》雜誌上發表的論文說，運行各種電腦程式的結果顯示，這一晶片內的數據通信帶寬為每平方毫米300Gbps(千兆比特)，相當於市場上現有「純電子」微處理器內通信帶寬的10至50倍。

       測試結果還表明，這一晶片內光子輸入/輸出埠的功耗是每比特1.3微微焦耳，即傳輸1Tb(兆兆比特)數據僅消耗電力1.3瓦。

       此外，光子輸入/輸出埠在實驗中發出並接受數據的距離是10米，而高速電子數據線路的傳輸距離極限大約是1米。

       據研究人員推測，這種功耗小的光子輸入/輸出埠有望被「數據中心」之類的單位所採用，這類數據中心往往消耗大量電力，而且這種耗電量有可能繼續快速增加。

       依照美國自然資源保護理事會的說法，美國所有數據中心2013年合計耗費電力大約910億千瓦小時，相當於全美當年總體電力消耗的約2%。

      2015年，這種在微處理器集成電路晶片內融入光子元件的技術應用前景在美國已催生了兩家初創企業，其中一家與加利福尼亞大學伯克利分校及其研究人員直接有關。■