美國研究人員日前首次在微處理器集成電路芯片內(nèi)融入光子元件,，為創(chuàng)制高速低功耗計算機處理器探索途經(jīng),。

　　這一處理器采用簡化指令組計算機(RISC-V)架構,，包含超過7000萬個晶體管和850個光子元件,，而且是在一座現(xiàn)有芯片工廠內(nèi)制作，顯示出相關工藝與現(xiàn)有生產(chǎn)程序可以兼容,。

　　這項研究由加利福尼亞大學伯克利分校,、麻省理工學院和科羅拉多大學博爾德分校的研究人員合作實施。項目專家介紹說,，上述微處理器芯片呈長方形,，各邊尺寸分別為3毫米和6毫米，其中光子元件充當輸入/輸出端口,。

　　“這是一個里程碑,，”加利福尼亞大學伯克利分校電氣工程和計算機系副教授弗拉迪米爾·斯托亞諾維奇說，因為“這是第一個用光線實現(xiàn)與外部世界(數(shù)據(jù))通信的處理器”,。

　　光學通信與電子通信相比,，有帶寬大、功耗低等優(yōu)勢,。光學通信迄今已極大改善計算機與計算機之間的數(shù)據(jù)通信,，即計算機網(wǎng)絡通信，但把這些效能引入計算機內(nèi)或計算機微處理器芯片內(nèi)部并不容易,。

　　商業(yè)化大規(guī)模電子集成電路制造工藝復雜,、設備昂貴，所以研究人員著力降低在芯片內(nèi)引入光子元件所需增加的成本以及可能導致的殘次品率,。所以,，他們在蝕刻環(huán)形調(diào)制器,、光探測器、垂直耦合器等光子元件時盡可能地利用硅鍺晶體管,、多晶硅和單晶硅層的特性,，以晶體管的管體充當波導管。

　　該項目的研究人員在英國《自然》雜志上發(fā)表的論文說,，運行各種計算機程序的結果顯示,，這一芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)通信帶寬為每平方毫米300千兆比特,，相當于市場上現(xiàn)有“純電子”微處理器內(nèi)通信帶寬的10至50倍,。

　　測試結果還表明，這一芯片內(nèi)光子輸入/輸出端口的功耗是每比特1.3微微焦耳,，即傳輸1兆兆比特數(shù)據(jù)僅消耗電力1.3瓦,。此外，光子輸入/輸出端口在實驗中發(fā)出并接受數(shù)據(jù)的距離是10米,，而高速電子數(shù)據(jù)線路的傳輸距離極限大約是1米,。

　　據(jù)研究人員推測，這種功耗小的光子輸入/輸出端口有望被“數(shù)據(jù)中心”之類的單位所采用,，這類數(shù)據(jù)中心往往消耗大量電力,，而且這種耗電量有可能繼續(xù)快速增加。依照美國自然資源保護理事會的說法,，美國所有數(shù)據(jù)中心2013年合計耗費電力大約910億千瓦小時,，相當于全美當年總體電力消耗的約2%。

　　2015年,，這種在微處理器集成電路芯片內(nèi)融入光子元件的技術應用前景在美國已催生了兩家初創(chuàng)企業(yè),，其中一家與加利福尼亞大學伯克利分校及其研究人員直接有關。