技术突破│新型光芯片让数据中心更加高效、节能

在同一块芯片上集成了电子电路和光学连接的处理器可以节约数据中心的能源

使用光学连接代替电线传输数据的微处理器一直以来都是芯片设计师们的梦想，但他们多年来的尝试均以失败告终。

现在《自然》杂志上介绍的一个原型为他们提供了一种很有希望且非常实用的方法。那就是电子-光学微处理器，该原型是由麻省理工学院、加州大学伯克利分校和科罗拉多大学博尔德分校的一组研究人员开发的，由超过7000万个晶体管和850个光学组件集合而成。

该系统使用光学纤维、发射器和接收器实现处理器芯片和内存芯片之间的数据发送。在演示中，该系统通过运行一个图形程序来展示和操作3D图像，这需要使用内部光学连接来获取内存数据并运行指令。

在能源相同的情况下，光学连接可以比电子电路更多更快地传输数据，该原型中的数据传输速度可达300千兆比特/秒/平方毫米。

研究人员认为，这个速度是电子微处理器成品的10到50倍。加州大学伯克利分校的一名研究员孙晨（音译）认为，带宽的提高可以为数据中心节省大量能源。

据他估计，数据中心服务器所使用的能源中有20%至30%被用于处理器、内存和网卡之间的数据传输。

根据美国自然资源保护委员会的分析，到2020年，美国的数据中心每年将消耗1400亿千瓦时的电力，这将耗资130亿美元并排放出1亿公吨的二氧化碳。

虽然光学连接已经被广泛用于长途通信连接，但要将其应用到服务器和芯片上仍然存在很大的难度。光学组件的成本很高，需要专门的流程和材料，因此很难将其并入现有的半导体生产线。

芯片近视图

将光学组件像电子电路一样集成在同一芯片上尤为困难。孙晨说：“研究人员只能用光学组件合成非常简单的电路，而且这些系统仍然非常昂贵。”他和他的同事们希望通过在现有半导体设备上制造光学组件来降低成本。

原型芯片是用格罗方德公司经营的半导体制造设施生产的，公司位于纽约费西基尔。

研究人员将他们的设计发送给公司，然后得到他们的测试芯片。这个工厂是老一代的工厂。如果要用制作当今最好电路的先进设备生产集成芯片的话，还将需要做更多的工作。

在普通铸造中使用传统硅晶片实现芯片上内存与处理器之间的光学连接是“一个重大的科技成就”，加州大学圣地亚哥分校的一名电气工程师沙杨·穆克赫尔佳（Shayan Mookherjea）说道，他也正在从事数据中心的光学连接开发工作。

然而，他指出，用这种方法制造芯片需要蚀刻掉部分硅背衬，否则可能使光从芯片的工作部件中泄露出来。要可靠地完成这项工作非常困难。

但孙晨对此非常乐观。今年5月，他成立了一个专门将设计商业化的公司。他说：“伯克利的Ayar实验室正在针对数据中心进行产品开发，新产品可能在两年之内就能够进入市场。”

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