Fotonisk kommunikation kommer til computerchips

Med nye optoelektroniske chips og et nyt partnerskab med en førende silicium-chip producent, MIT spinout Ayar Labs har til formål at øge hastigheden og reducere energiforbruget i computing, startende med datacentre.

Bakket op af mange års forskning på MIT og andre steder, Ayar har udviklet chips, der flytter data rundt med lys, men beregner elektronisk. Det unikke design integrerer hurtig, effektiv optisk kommunikation - med komponenter, der overfører data ved hjælp af lysbølger - til traditionelle computerchips, udskiftning af mindre effektive kobbertråde.

Ifølge opstarten, chipsene kan reducere energiforbruget med omkring 95 procent i chip-til-chip-kommunikation og øge båndbredden ti gange i forhold til deres kobberbaserede kolleger. I massive datacentre - Ayars første målapplikation - drevet af tech giganter som Facebook og Amazon, chipsene kunne reducere det samlede energiforbrug med 30 til 50 procent, siger administrerende direktør Alex Wright-Gladstein MBA '15.

"Lige nu er der en flaskehals i båndbredde i store datacentre, "siger Wright-Gladstein, der grundlagde Ayar sammen med Chen Sun Ph.D. '15 og Mark Wade, en kandidat fra University of Colorado og tidligere MIT -forsker. "Det er en spændende applikation og det første sted, der virkelig har brug for denne teknologi."

I december, opstarten indgik en aftale med GlobalFoundries, en global global silicium-chip producent, at bringe sit første produkt, et optisk input-output system kaldet Brilliant, på markedet næste år.

Chippen kan også bruges i supercomputere, Wright-Gladstein tilføjer, som har lignende effektivitetsproblemer og hastighedsbegrænsninger, som datacentre har. Ned ad vejen, teknologien kan også forbedre optikken på forskellige områder, fra autonome køretøjer og medicinsk udstyr til augmented reality. "Vi er begejstrede for ikke kun, hvad det kan gøre for datacentre, men hvilke nye ting dette vil muliggøre i fremtiden, "Siger Wright-Gladstein.

At se lyset

Ayars kerneteknologi - nu understøttet af mere end 25 akademiske artikler - er et årti undervejs. Forskningssamarbejdet begyndte i midten af ​​2000'erne på MIT som en del af Defense Advanced Research Project Agency's Photonically Optimized Embedded Microprocessors (POEM) projekt, ledet af Vladimir Stojanovic, nu lektor i elektroteknik og datalogi ved University of California i Berkeley, i samarbejde med Rajeev Ram, en MIT -professor i elektroteknik og hovedforsker for gruppen Fysisk Optik og Elektronik, og Milos Popovic, nu assisterende professor i el- og computerteknik ved Boston University.

Ideen var at hjælpe datatransmission med at følge med Moores lov. Antallet af transistorer på en chip kan fordobles hvert andet år, Wright-Gladstein siger, "men mængden af ​​data, vi skubber hen over disse kobbernåle, er ikke vokset i samme hastighed."

Computerchips sender data mellem chips med forskellige funktioner, såsom logiske chips og hukommelseschips. Med kobberbaseret kommunikation, imidlertid, chipsene kan ikke sende og modtage nok data til at drage fordel af deres stigende behandlingskraft. Det har forårsaget en "flaskehals, "hvor chips skal vente længe for at sende og modtage data. Mere end halvdelen af ​​tiden i datacentre, for eksempel, kredsløb venter på, at data kommer og går, Siger Wright-Gladstein. "Det er et stort spild, "siger hun." De bruger næsten lige så meget tomgang som når de arbejder. "

En løsning er let. En optisk ledning kan transmittere flere datasignaler på forskellige bølgelængder af lys, mens kobbertråde er begrænset til et signal pr. ledning. Optiske chips kan, derfor, overføre flere oplysninger ved at bruge betydeligt mindre plads. I øvrigt, fotonik producerer meget lidt spildvarme. Data, der passerer gennem kobbertråde, genererer store mængder spildvarme, hvilket skader effektiviteten i individuelle chips. Dette er et problem i datacentre, hvor kobbertråde kører inde og mellem servere.

På det tidspunkt, hvor forskningsgrupperne i Ram, Stojanovic, og Popovic arbejdede på POEM -projektet, store virksomheder som Intel og IBM forsøgte at designe billige, skalerbare optiske chips. Samarbejdet - som derefter omfattede Sun og Wade - havde en anden tilgang:De integrerede optiske komponenter på siliciumchips, som er fremstillet ved hjælp af den traditionelle CMOS -halvlederfremstillingsproces, der slider chips til øre. "Det var en radikal idé på det tidspunkt, "Siger Wright-Gladstein." CMOS egner sig ikke godt til optik, så brancheveteraner antog, at du skulle foretage store ændringer for at få det til at fungere. "

For at undgå at foretage ændringer i CMOS -processen, forskerne fokuserede på en ny klasse af miniaturiserede optiske komponenter, herunder fotodetektorer, lysmodulatorer, bølgeledere, og optiske filtre, der koder data om forskellige bølgelængder af lys, og derefter sende og afkode det. De "hackede" hovedsageligt den traditionelle metode til design af siliciumchip, ved hjælp af lag beregnet til elektronik til at bygge optiske enheder, og gør det muligt for chipdesign at inkludere optik mere stramt konfigureret end nogensinde inde i en chips struktur.

I 2015, forskerne, sammen med Krste Asanovics team ved UC Berkeley lavede den første processor til at kommunikere ved hjælp af lys og offentliggjorde resultaterne i Natur . Chips, fremstillet på et GlobalFoundries fabrikationsanlæg, indeholdt 850 optiske komponenter og 70 millioner transistorer, og udført såvel som traditionelle chips fremstillet på samme facilitet.

Tager springet

Bag scenen, Wright-Gladstein tænkte allerede på kommercialisering. Året før udgivelsen hun havde tilmeldt sig MIT Sloan School of Management, specifikt for at møde forskere, der tackler ren energi. Tager 15.366 (Energy Ventures), som fokuserer på kommercialisering af MIT -rene teknologier, hun blev valgt til at vælge teknologierne til at bringe ind i klasseværelset. "Det var den perfekte undskyldning for at møde enhver forsker, der laver energirelateret forskning, "Siger Wright-Gladstein.

Fra den store pulje af 300 laboratorier, hun stødte på Rams optoelektroniske chips - som "blæste mig væk, "siger hun. Energiindustrien var fokuseret på udstyrsinnovationer for at spare energi i datacentre." Men der var ikke meget fokus på at reducere energi gennem selve computingen, "Siger Wright-Gladstein." Det virkede som en fantastisk måde at få indflydelse på. "

Wright-Gladstein dannede et team i klassen for at lave en forretningsplan og pitchdæk. Hun samarbejdede også ofte med Sun og Wade om at tale med potentielle branchekunder. Da MIT Clean Energy -prisen rullede rundt, de tre studerende kom ind i teknologien under navnet, OptiBit - og vandt begge store præmier for $ 275, 000, at styrke deres beslutning om at starte en opstart.

"At have midler tidligt til at betale os selv lave lønninger og have en lille pude, før vi skaffede venturekapitalfonde, fik virkelig os alle til at tage springet, "Siger Wright-Gladstein.

Opretter butik i San Francisco, opstarten fortsatte forskning og udvikling, øge teknologiens kommunikationsdatahastigheder. Sidste år, GlobalFoundries interesserede sig for disse konstante innovationer og indgik et partnerskab med opstarten, som indeholdt en del uoplyst finansiering. Dette år, Ayars første prototyper skulle nå amerikanske datacentre, med en planlagt kommerciel udgivelse i 2019.

At løse chip-input-output-problemet er bare starten. Ayar er også spændt på, hvad dens nye teknologi betyder for optikområdet, Siger Wright-Gladstein. Optiske sensorer, for eksempel, bruges i selvkørende eller semiautonome køretøjer og dyrt medicinsk udstyr. Sænkning af produktionsomkostninger, samtidig med at beregningsevnen øges, af optoelektroniske chips kunne gøre disse teknologier langt billigere og mere tilgængelige.

"Vi starter med at løse dette flaskehalsproblem i traditionelle siliciumchips, men i sidste ende er vi begejstrede for alle de forskellige steder, denne teknologi vil komme til, "Wright-Gladstein siger." Dette kommer til at ændre tilgængeligheden af ​​optik, og hvordan verden kan bruge optik, på andre måder end vi kan forudsige lige nu. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.