最新光子芯片比現(xiàn)有處理器快10至50倍

最近美國(guó)三所大學(xué)的研究人員開發(fā)出一款光子芯片，它可以用光來傳輸數(shù)據(jù)，速度比過去的芯片大幅提升，能耗也大大減少。研究者宣稱這是第一款成熟的、用光傳輸數(shù)據(jù)的處理器。芯片每平方毫米處理數(shù)據(jù)的速度達(dá)到300Gbps，比現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)處理器快10倍甚至50倍。研究人員用7000萬個(gè)晶體管和850個(gè)光子元件(用來發(fā)送和接收光)組成2個(gè)處理器內(nèi)核，整個(gè)芯片只有3 X 6毫米大。

第一款光子處理器

在20世紀(jì)40年代時(shí)，電腦和房間一樣大，今天的電腦與那時(shí)的電腦已經(jīng)有了很大的不同，但它們傳輸數(shù)據(jù)的方式是一樣的，都是在金屬線中傳遞電子信號(hào)。英特爾和IBM等芯片企業(yè)都已經(jīng)在研究硅光子(Silicon Photonics)，但至今無法真正用在商業(yè)上。美國(guó)科羅拉多大學(xué)Berkeley校區(qū)、麻省理工學(xué)院、科羅拉多大學(xué)Boulder校區(qū)的研究人員開發(fā)出第一款光子芯片是重大的突破，他們預(yù)測(cè)最早到2017年就可以測(cè)試商用版本的光處理器。

在今天的電腦和智能手機(jī)中，電信號(hào)在金屬線中傳輸，它將處理器、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)設(shè)備、USB接口等連接起來。在國(guó)家與國(guó)家之間則用光纖連接。光纖可以傳輸海量數(shù)據(jù)，但它的造價(jià)太貴。

美國(guó)大學(xué)的研究人員希望能改變這一切，他們將電子組件直接安裝在芯片中，并用來傳送和接受光信號(hào)。他們的研究成果刊發(fā)在周二的《自然》雜志上。芯片制造設(shè)備和硅元件都可以用這種方法生產(chǎn)，如此一來，光芯片就可以輕易普及到計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施之中。

研究人員已經(jīng)在室驗(yàn)室制作出原型產(chǎn)品，如果產(chǎn)品可以走向市場(chǎng)，消費(fèi)者將大大受益。數(shù)據(jù)中心內(nèi)安裝成千上萬的服務(wù)器，硅光子技術(shù)可以提升運(yùn)算速度;在個(gè)人電腦和智能手機(jī)上，硅光子可以打破性能瓶頸，同時(shí)又不犧牲電池續(xù)航時(shí)間。今天的計(jì)算產(chǎn)業(yè)普遍面臨一個(gè)問題：無法讓芯片運(yùn)算得更快，硅光子卻沒有這樣的困擾，它不需要芯片運(yùn)算得更快。相反，研究人員會(huì)讓硅芯片一直輸送數(shù)據(jù)且不會(huì)閑置，從而有效提升整體性能。

負(fù)責(zé)芯片開發(fā)的副教授Vladimir Stojanovic說，開發(fā)出第一款能在外部世界通信的光芯片是重大突破，至于商業(yè)化，最大的挑戰(zhàn)在于找到廉價(jià)的方法封裝芯片。他認(rèn)為，出于成本考慮，光芯片技術(shù)最先會(huì)用在數(shù)據(jù)中心中，然后才能進(jìn)入到小設(shè)備。Stojanovic還說：“我們預(yù)計(jì)封裝芯片最先會(huì)進(jìn)入數(shù)據(jù)中心，然后它會(huì)變得足夠便宜，最終在手機(jī)和PC中普及。”

研究人員的構(gòu)想并非是純粹的創(chuàng)意，已經(jīng)有兩家創(chuàng)業(yè)公司參與到光芯片的商業(yè)化運(yùn)動(dòng)之中。一家是Ayar Labs，它希望將光子互連技術(shù)商品化，還有一家是SiFive，它們希望在免費(fèi)的RISC-V芯片設(shè)計(jì)方案上建立新業(yè)務(wù)。

在不久的將來，Stojanovic預(yù)計(jì)光子將可以連接電腦內(nèi)的獨(dú)立芯片，將一顆芯片與另一顆芯片相連。除此之外，硅光子技術(shù)還可以改進(jìn)激光雷達(dá)的性能，無人駕駛汽車的激光傳感器、腦顯像和環(huán)境傳感器的性能都會(huì)大大提升。

硅光子有望重新改寫歷史，徹底改變電腦組合的方式。電信號(hào)傳輸受到了線纜長(zhǎng)度的制約，例如，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)USB連接的傳輸速度提高10倍時(shí)，最大線纜長(zhǎng)度從16英尺降到了10英氣。光連接卻不會(huì)出現(xiàn)這樣的問題，它的速度更快，信號(hào)不會(huì)衰減，美國(guó)大學(xué)展示的原型芯片是用10米的光連接的，它可以輕易擴(kuò)展到千米。

有了硅光子芯片，數(shù)據(jù)中心的電腦不必浪費(fèi)時(shí)間等待另一臺(tái)電腦的響應(yīng)。Stojanovic說：“我們的光解決方案可以讓處理器更快接入網(wǎng)絡(luò)。”

電信號(hào)通過金屬線傳輸，光連接只需要小小的能量就行了，芯片自己就能供應(yīng)能量，這樣可以節(jié)省電的成本，也不會(huì)存在電子元件過熱的問題。

原型芯片是用不常見的材料制作的，它將硅和鍺結(jié)合，制造過程很困難，成本也很高。但最近一段時(shí)間，研究人員取得了進(jìn)步，他們改良了硅光子技術(shù)，在芯片中使用了更多的硅材料