首颗可媲美硅的光芯片研发成功

2019-04-22
14:00:25
来源: 半导体行业观察

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2000年3月,AMD首次推出了时钟频率超过1 GHz的处理器;2001年8月,英特尔将其推向了2 GHz,并于2002年11月首次突破3 GHz。而作为回击,AMD经过长达9年的技术积累之后凭借着强大的FX-6200率先突破4 GHz,又过了两年在2013年推出了5 GHz的FX-9590。

当前处理器性能的增长已经放缓,未来需要注入新的动力来驱动发展。 而这个新动力可能就是芯片级的光子计算,这是一种基于光的硬件总成,有望大幅提升性能。 由日本电报电话公司(Nippon Telegraph and Telephone Corporation)赞助的科学团队近日在光子技术领域取得了巨大突破,让光子硬件首次具备了媲美电子硬件的性能和规格。

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未来10年你将会看到各种光学上的突破性应用,包括利用光来传输信息,然后让电子硬件进行处理。 例如,电信号将会通过Electric to Optic (E-O)设备转换为光,然后通过光传输之后再在Optic to Electric (O-E)设备中将光转换成为电流,而该电流可以被处理或者发送到下个E-O设备中。

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目前科学家面临的主要挑战就是功率要求,以光形态发送所需要的功率是电信号的1000多倍,而且在传输速度上也存在限制,因为每次光被吸收之后都需要进入到容器中进行转换。 而且该容器必须要在完成填满并完全放电才能通过信号,但到目前为止,构建一个足够小的电容器以实现快速转发是非常具有挑战性的。

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而科学团队在光学领域实现了跨越式的发展,最终在性能和功耗方面达到了媲美传统硅硬件的要求。科研团队创建了运行速率为40 Gbps的电光调制器(E-O),每bit仅42个焦耳,这意味着它的耗电量比以前的最佳实验要低一个数量级,大约半个容器为微法拉(femtofarad)。

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然后,他们构建了一个基于相同技术的光接收器(O-E),并且能够以比其他光学系统低两个数量级的功率运行在10 Gbps,每bit只有1.6毫微焦耳。它也是第一个不需要放大器(节省功率)并且只需几兆法拉就具有低电容的产品。

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在两者的基础上,科研团队展示了全球首个 O-E-O 晶体管,它可以用作全光开关,波长转换器和中继器。令人难以置信的多功能使其成为首款在芯片级上超过电子硬件的设备。研究人员建议它可以用于核心间通信并维持缓存一致性。

科研团队通过开发一种新型光子晶体(一种控制光线的合成绝缘材料)来实现这一突破的,它是一块硅片,上面钻有一堆孔。这些孔的排列使得如果光线穿过它们会自己干扰,从而导致它被抵消。如果一条孔被阻挡,那么光就会跟随路径并被聚集成光吸收材料,将其转换为电流。同样的系统也可以反向运行。

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