Per la prima volta, un gruppo di ricercatori ha utilizzato le tecniche produttive esistenti per realizzare un complesso processore che utilizza connessioni ottiche altamente efficienti.
di Katherine Bourzac
Era da tempo che i progettisti sognavano un microprocessore che utilizzasse connessioni ottiche al posto dei tradizionali collegamenti elettrici per trasportare i dati, ma ogni tentativo di realizzarlo era risultato in una profonda frustrazione; almeno fino ad ora.
Un prototipo descritto su Nature offre ora un approccio pratico e promettente. Il microprocessore elettronico-ottico, sviluppato da un gruppo di ricercatori del MIT, dell’Università della California, Berkeley, e l’Università del Colorado, Boulder, integra oltre 70 milioni di transistor e 850 componenti ottiche. Il sistema utilizza fibre ottiche, trasmettitori e ricevitori per trasmettere dati fra un chip processore e un chip di memoria. In una dimostrazione, il microprocessore gestisce un programma grafico per raffigurare e manipolare un’immagine 3-D, una operazione che richiede l’utilizzo delle connessioni ottiche interne per prelevare dati dalla memoria e procedere secondo le istruzioni.
Le connessioni ottiche permettono di trasportare dati a una velocità superiore rispetto a quelle elettriche pur consumando la stessa quantità di energia. Le trasmissioni effettuate dal prototipo avvengono a una velocità di 300 gigabit al secondo per millimetro quadrato, che stando ai ricercatori sarebbe fra le 10 e le 50 volte superiore rispetto a quella di un microprocessore elettronico comparabile in commercio. La potenza superiore potrebbe portare a un notevole risparmio di energia nei data center, spiega Chen Sun, un ricercatore dell’Università della California, Berkeley. Sun stima che intorno al 20-30 percento dell’energia impiegata nei data-center dei server viene consumato durante la trasmissione dei dati fra processori, memoria e schede di rete. Stando a un’analisi eseguita dal Natural Resources Defense Council, i data center negli Stati Uniti consumeranno 140 miliardi di kilowatt-ora di elettricità entro il 2020, arrivando a costare $13 miliardi ed emettere 100 milioni di tonnellate di anidride carbonica.
Nonostante le connessioni ottiche vengano già ampiamente utilizzate per le connessioni atte alle telecomunicazioni a lungo raggio, il loro inserimento nei server e all’interno dei chip è stato tutt’altro che semplice. Le componenti ottiche sono costose, richiedono processi e materiali dedicati difficili o impossibili da integrare alle catene produttive di semiconduttori.
Mettere componenti ottiche ed elettroniche su un unico chip è particolarmente difficile. Altri ricercatori erano già riusciti a combinare parti ottiche con circuiti molto semplici, ma i sistemi così ottenuti continuavano a costare troppo, spiega Sun, che assieme ai suoi collaboratori spera di riuscire a contenere i costi realizzando i dispositivi con le attrezzature esistenti. I prototipi di chip sono stati realizzati presso un impianto per la produzione di semiconduttori della GlobalFoundries di Fishkill, NY. I ricercatori hanno inviato loro i progetti e sono poi tornati ai loro chip sperimentali. Questi semiconduttori appartengono a una generazione precedente; l’integrazione dei chip con le attrezzature utilizzate per produrre i migliori chip del momento richiederà altro tempo.
La connessione ottica su chip fra memoria e processore utilizzando i convenzionali wafer in silicio in una fabbrica convenzionale rappresenta “un risultato tecnologico notevole”, ha detto Shayan Mookherjea, un ingegnere elettrico dell’Università della California, San Diego, che sta sviluppando a sua volta delle connessioni ottiche per i data center. Ciononostante, Mookherjea precisa che la produzione di chip del genere richiede una incisione di parte del supporto in silicio che permetterebbe altrimenti alla luce di fuoriuscire dalle parti funzionanti del chip. Questo passaggio potrebbe risultare particolarmente arduo da effettuare in maniera affidabile.
Sun si dice comunque ottimista. Lo scorso maggio, ha fondato una società attraverso la quale commercializzare i design. La Avar Labs di Berkeley sta sviluppando prodotti mirati ai data center e potrebbe essere pronta a distribuire il suo primo prodotto nel giro di due anni, dice.
(MO)
