Informática

Processador troca elétrons por luz para ficar mais rápido

Processador eletrônico-fotônico troca eletricidade por luz
Em vez dos fios de cobre por onde circulam elétrons, os bits viajam como fótons por componentes chamados guias de ondas.[Imagem: Glenn J. Asakawa/Universidade do Colorado]

Processador opto-eletrônico

Está pronto o primeiro processador capaz de manipular dados internamente por meio de luz. Dentro do chip, os elétrons, que circulam por fios de cobre, são substituídos por fótons, que circulam em componentes fotônicos comparáveis às fibras ópticas.

O avanço é um passo importante rumo aos processadores fotônicos reais, que usam a luz também para processar as informações, e não apenas para transmiti-las, além de representar um avanço em relação à recente tecnologia de troca de dados por luz entre processadores, lançada pela Intel.

Chen Sun e seus colegas da Universidade da Califórnia em Berkeley, nos EUA, empacotaram mais de 70 milhões de transistores e 850 componentes fotônicos dentro de um processador de dois núcleos medindo 3 por 6 milímetros.

O feito é notável porque o "ambiente" de um chip - sobretudo no processo de fabricação - é considerado extremamente agressivo para os componentes que lidam com a luz. Além disso, o processador híbrido foi feito em uma fábrica comum, que produz chips de computadores em massa, mostrando que o projeto é robusto o suficiente para ser levado para a escala industrial.

Maior largura de banda com menos potência

Apesar do intenso desenvolvimento no campo da fotônica, ninguém tinha desenvolvido uma forma de integrar os componentes fotônicos nos mesmos processos de fabricação usados para produzir os processadores de computador sem alterar o próprio processo de fabricação - algo inviável economicamente.

"Este é um marco. É o primeiro processador que pode usar a luz para se comunicar com o mundo externo," disse o professor Vladimir Stojanovic, que coordenou o desenvolvimento do chip. "Nenhum outro processador fotônico tem entrada e saída no chip."

A equipe confirmou a funcionalidade do processador com as interconexões fotônicas usando-o para executar vários programas comuns, que precisam trocar instruções e dados com a memória. O chip alcançou uma largura de banda de 300 Gbps por milímetro quadrado, entre 10 e 50 vezes mais do que os microprocessadores somente elétricos atuais.

A entrada e saída (I/O) fotônica no chip também é eficiente em termos de consumo de energia, utilizando apenas 1,3 picojoules por bit, o equivalente ao consumo de 1,3 watts de potência para transmitir um terabit de dados por segundo. Nos experimentos, os dados foram trocados com um receptor a 10 metros de distância.

Processador eletrônico-fotônico troca eletricidade por luz
Esquema do processador eletrônico-fotônico, com os principais componentes fotônicos mostrados na parte inferior (c). [Imagem: Chen Sun et al. - 10.1038/nature16454]

"Fiat lux" em um chip

Cada um dos principais componentes fotônicos de entrada e saída - um modulador em anel, um fotodetector e um acoplador de grade vertical - serve para controlar e guiar as ondas de luz no chip.

Para permitir que a luz entre pelos circuitos com uma perda mínima, foi utilizado o corpo de silício de um transístor como um guia de ondas para a luz, utilizando as máscaras disponíveis no processo de fabricação industrial para manipular a dopagem, o processo usado para formar as diferentes partes dos transistores.

Para controlar a luz já dentro do chip, transportando bits de dados, um anel de silício com uma junção p-n ao lado do guia de ondas de silício permite a modulação da luz de forma rápida e com baixo consumo de energia.

O fotodetector foi fabricado usando as mesmas partes de silício-germânio de um transistor moderno, tirando proveito da capacidade do germânio para absorver a luz e convertê-la em eletricidade.

O acoplador de grade vertical foi utilizado para conectar o chip com o mundo exterior, dirigindo a luz no guia de ondas para dentro e para fora do chip.

Os autores enfatizam que todas essas adaptações funcionaram dentro dos parâmetros dos sistemas industriais de fabricação de microprocessadores, e que não será difícil otimizar cada componente para melhorar ainda mais o desempenho do chip eletrônico-fotônico.

Bibliografia:

Single-chip microprocessor that communicates directly using light
Chen Sun, Mark T. Wade, Yunsup Lee, Jason S. Orcutt, Luca Alloatti, Michael S. Georgas, Andrew S. Waterman, Jeffrey M. Shainline, Rimas R. Avizienis, Sen Lin, Benjamin R. Moss, Rajesh Kumar, Fabio Pavanello, Amir H. Atabaki, Henry M. Cook, Albert J. Ou, Jonathan C. Leu, Yu-Hsin Chen, Krste Asanovic, Rajeev J. Ram, Milos A. Popovic, Vladimir M. Stojanovic
Nature
Vol.: 528, 534-538
DOI: 10.1038/nature16454




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