Инженеры впервые показали оптоэлектронный процессор

Группа инженеров из нескольких американских университетов представила прототип оптоэлектронного процессора. Статья с описанием технологии появилась в журнале Nature.
Вся современная электроника использует для работы электрические сигналы. В свою очередь, для передачи данных на большие расстояния используется оптическое волокно, в котором носителями информации являются световые импульсы. Для трансформации одних импульсов в другие используют разного рода детекторы и модуляторы.
Существует идея так называемого оптического компьютера - вычислительной системы, которая будет использовать оптические сигналы. В настоящее время не существует работающего оптического чипа. Более того, существуют сомнения в том, что переход на оптику станет шагом вперед по сравнению с электронными компьютерами. В частности, одной из фундаментальных проблем является более высокий базовый уровень шума (пуассонов шум) в оптических каналах по сравнению с электрическими каналами (шум Джонсона-Найквиста).
Чип, созданный в новой работе, показывает, что даже частичный переход на оптику позволяет заметно улучшить показатели процессора по скорости вычислений и энергопотреблению. Представленный процессор имеет два ядра, содержащих в общей сложности 70 миллионов транзисторов, а также 850 оптических компонент. Все это интегрировано на едином кристалле размером три на шесть миллиметров. Оперирует процессор специальным набором команд RISC-V.
Основные оптические узлы нового процессора - это модуляторы, фотодетекторы и межсоединения для волноводов. Эти элементы служат для трансформации оптического сигнала в электрический и наоборот, а также служат для управления направлением движения оптических сигналов.
Ключевой особенностью всех элементов является то, что они созданы стандартными для кремниевой печати методами литографии. То есть, потенциально, производство такого рода оптоэлектрических процессоров не требует создания новых производственных мощностей. Впрочем, сами авторы подчеркивают, что стоимость их прототипа получилась достаточно высокой.
Тестирование процессора показало, что плотность тока данных внутри процессора составляет 300 гигабит на квадратный миллиметр архитектуры. По этому показателю процессор в 10-50 раз превосходит доступные коммерческие двухъядерные аналоги. Также исследователи продемонстрировали работу с 3D-графикой на основе нового процессора. Такого рода задачи требуют постоянной "перекачки" большого количества данных от процессоров и сильно нагружают каналы внутри процессора и всего компьютера.
Ученые отдельно отмечают, что замена шины связи процессора с памятью со стандартной на оптическую поможет сэкономить большое количество энергии. По подсчетам авторов, до двух процентов энергозатрат крупных дата-центров уходит исключительно на обеспечение передачи данных между процессорами и памятью.
Андрей Коняев