Creato un processore ibrido che usa luce ed elettricità

University of Colorado Boulder e MIT hanno messo a punto il prototipo di un processore che comunica con la memoria interna ed esterna tramite la luce.

 

Ricercatori della University of Colorado Boulder, in collaborazione con il MIT, hanno sviluppato un nuovo microprocessore che usa la luce piuttosto che l’elettricità per trasferire dati alla memoria rapidamente, consumando al contempo pochissima energia.

Aziende del calibro di IBM e Intel ma anche altri istituti di ricerca sono impegnati da anni nello sviluppo di questo tipo di chip, che consentiranno non solo di aver computer ancora più potenti e veloci, ma anche infrastrutture di rete più evolute.

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“I circuiti integrati basati sulla luce potrebbero condurre a cambiamenti radicali nell’architettura dei chip per applicazioni che vanno dagli smartphone ai supercomputer, fino ai grandi datacenter”, ha spiegato Miloš Popović, assistente professore alla CU-Boulder. L’attenzione al mondo della fotonica è una necessità per il settore dei processori, dato che le tradizionali soluzioni basate sui circuiti elettrici non potranno che aumentare la richiesta energetica di pari passo alla velocità e al volume di dati trasferito.

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Inviare informazioni con la luce anziché elettricità riduce il carico energetico di un microchip perché la luce può essere inviata su lunghe distanze usando la stessa quantità di energia. “Uno dei vantaggi delle comunicazioni basate sulla luce è che più flussi di dati paralleli codificati in differenti colori possono essere inviati sullo stesso mezzo – in questo caso un collegamento ottico a guida d’onda sul chip, oppure una fibra ottica al di fuori del chip dello stesso genere di quelle che formano la spina dorsale di Internet”, ha aggiunto Popović.

Un altro vantaggio è che la luce infrarossa usata dai ricercatori ha una lunghezza d’onda fisica inferiore al micron e questo permette di addensare le porte di comunicazione sul chip, permettendo così di avere un bandwidth totale superiore. Il chip messo a punto dai ricercatori ha una densità di bandwidth di 300 gigabit al secondo per millimetro quadrato, dalle 10 alle 50 volte maggiore agli attuali microprocessori basati sulla sola elettricità. Il chip, che misura appena 3 x 6 mm, integra oltre 70 milioni di transistor e incorpora 850 componenti di I/O.

Si tratta per la precisione di una soluzione dual-core RISC-V, collegata a un blocco di 1 MB di SRAM ospitata sul die. È stata realizzata da GlobalFoundries con processo produttivo CMOS SOI a 45 nanometri. Secondo i ricercatori il chip usa i trasmettitori e ricevitori ottici per consetire a CPU e SRAM di comunicare sia tra loro che con componenti fuori dal chip senza necessità di dispositivi ottici separati. Nel video potete vedere che il processore gestisce un programma grafico che visualizza e manipola un’immagine 3D, un’operazione che richiede l’uso delle connessioni ottiche interne per recuperare dati dalla memoria ed eseguire istruzioni.

Questa è una pietra miliare. È il primo processore in grado di usare la luce per comunicare con il mondo esterno”, ha detto Vladimir Stojanović, professore associato di ingegneria elettrica e informatica presso l’Università della California, Berkeley. “Nessun altro processore ha l’I/O fotonica integrata nel chip“. I ricercatori ritengono che la nuova tecnologia può essere integrata nell’attuale processo di produzione senza particolari problemi, prestandosi alla produzione commerciale.

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“Abbiamo capito come riusare gli stessi materiali e le fasi di lavorazione che compongono i circuiti elettrici al fine di costruire dispositivi ottici ad alte prestazioni nello stesso chip”, ha aggiunto il dottorando Mark Wade. “Questo ci permette di progettare sistemi elettro-fotonici complessi che possono risolvere il problema del collo di bottiglia legato alle comunicazioni”.

Ci troviamo ovviamente nel puro campo sperimentale: i chip con elementi fotonici al loro interno richiederanno ancora molto tempo prima di giungere nelle nostre case. A testimoniarlo anche i chiari limiti del prototipo, costretto a operare a 31 MHz durante l’uso della memoria mediante i collegamenti ottici (che hanno un bandwidth di 2,5 gigabit al secondo, sia nella trasmissione che nella ricezione, per un bandwidth complessivo di 5 gigabit al secondo).

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