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光电子芯片技术的原理和优势是什么?如何取代传统的 I/O 形式?

时间:2020-11-06 10:30:23 阅读:
初创公司Ayar Labs结合光学和电子学技术,研制出了速度更快、效率更高的新型光电子芯片,与传统电信号传输方案相比,它的优势和原理是什么呢?这种光学小芯片和多波长激光器不仅产生更少的热量、信号传输的延时更低,且不易受到温度、磁场、噪声变化等情况的影响。Ayar Labs 的技术攻关方向,就是要取代传统的 I/O 形式。
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据外媒报道,光芯片互连技术初创企业Ayar Labs再获B轮融资,融资金额达到3500万美元。

Ayar Labs 是一家旨在利用新颖的硅处理技术,来开发基于光学互联的高速、高密度、低功耗“小芯片”的初创企业。尽管晶体管的制程仍在不断缩减,但晶体管之间的铜互连,依然是电子产业发展时面临的一个主要障碍。而 Ayar Labs 的技术攻关方向,就是要取代传统的 I/O 形式。

据悉,基于铜互连的电阻电容延迟(RC delay),正在妨碍晶体管的尺寸收缩和速度提升。即便采用了基于屏蔽材料的绝缘体,铜在微观尺度下仍不够可靠。

Ayar Labs 由 Alex Wright-Gladstein、Chen Sun 和 Mark Wade 于 2015 年共同创立,旨在开发利用光(而不是通过铜线传输的电信号)将数据在芯片之间进行传输的新产品。

该公司宣称其解决方案源于 MIT 十年的研究合作,融汇了加州大学伯克利分校、科罗拉多大学和博尔德大学在半导体功率 / 性能改进等方面的技术攻关经验,并且受到了 Lightelligence、LightOn 和 Lightmatter 等初创公司的研究激励。

Ayar Labs 联合创始人(图 via VentureBeat)

与传统电信号传输方案相比,Ayar Labs 的小芯片和多波长激光器不仅产生更少的热量、信号传输的延时更低,且不易受到温度、磁场、噪声变化等情况的影响。

此外这些小芯片可将互连带宽密度提升 1000 倍、同时功耗仅为 1/10,很适合 AI、云、高性能计算、5G、激光雷达等新系统架构的采用。

举个例子,得益于多端口设计(八个光通道),Ayar Labs 的 TeraPhy 小芯片,理论上能够达成数十 TB/s 的带宽。同时这些 TeraPhy 具有高带宽的电接口,以便同硅芯片转接。

Ayar Labs 还设计了一款被称作 SuperNova 的光源,这种光子集成电路可产生 8 / 16 路波长的光信号,支持多路复用、功率分配、以及放大至 8 / 16 路端口输出。

该公司宣称,SuperNova 可提供 256 个数据通道的光信号,最高带宽相当于 8.192 TB/s 。

对于系统集成商来说,这种智能光学 I/O 小芯片使之能够专注于核心功能的集成和制程工艺发展,同时将 I/O 任务交给低功耗、高吞吐量的光学小芯片上,最终实现逻辑与物理连接相融合的新系统形态。

最后本次 B 轮融资由 Downing Ventures、BlueSky Capital 领衔,新投资者包括 Applied Applieds、Castor Ventures、Downing Ventures 和 SGInnovate 联手共同领导,最终再获3500万美元融资。

现有投资者还包括 BlueSky Capital、Founders Fund、GlobalFoundries、Intel Capital、Lockheed Martin Ventures 和 Playground Global,目前总部位于加州圣克拉拉的 Ayar Labs 的融资总额已超过 6000 万美元。

关于光芯片的发展进程

初创公司Ayar Labs结合光学和电子学技术,研制出了速度更快、效率更高的新型光电子芯片,有望提升计算速度,将大型数据中心的带宽提高10倍,并使芯片间通信耗能减少95%,将总能耗降低30%—50%。

实际上,2015年,美国三所大学的研究人员就开发出一款光子芯片,它可以用光来传输数据,速度比过去的芯片大幅提升,能耗也大大减少。

研究者宣称这是第一款成熟的、用光传输数据的处理器。芯片每平方毫米处理数据的速度达到300Gbps,比现有的标准处理器快10倍甚至50倍。

研究人员用7000万个晶体管和850个光子元件(用来发送和接收光)组成2个处理器内核,整个芯片只有3×6毫米大。在20世纪40年代时,电脑和房间一样大,今天的电脑与那时的电脑已经有了很大的不同,但它们传输数据的方式是一样的,都是在金属线中传递电子信号。英特尔和IBM等芯片企业都已经在研究硅光子(Silicon Photonics),但至今无法真正用在商业上。

美国科罗拉多大学Berkeley校区、麻省理工学院、科罗拉多大学Boulder校区的研究人员开发出第一款光子芯片是重大的突破。在今天的电脑和智能手机中,电信号在金属线中传输,它将处理器、内存、网络、存储设备、USB接口等连接起来。在国家与国家之间则用光纤连接。光纤可以传输海量数据,但它的造价太贵。

美国大学的研究人员希望能改变这一切,他们将电子组件直接安装在芯片中,并用来传送和接受光信号。芯片制造设备和硅元件都可以用这种方法生产,如此一来,光芯片就可以轻易普及到计算基础设施之中。研究人员已经在室验室制作出原型产品,如果产品可以走向市场,消费者将大大受益。数据中心内安装成千上万的服务器,硅光子技术可以提升运算速度;在个人电脑和智能手机上,硅光子可以打破性能瓶颈,同时又不牺牲电池续航时间。

今天的计算产业普遍面临一个问题:无法让芯片运算得更快,硅光子却没有这样的困扰,它不需要芯片运算得更快。相反,研究人员会让硅芯片一直输送数据且不会闲置,从而有效提升整体性能。负责芯片开发的副教授Vladimir Stojanovic说,开发出第一款能在外部世界通信的光芯片是重大突破,至于商业化,最大的挑战在于找到廉价的方法封装芯片。他认为,出于成本考虑,光芯片技术最先会用在数据中心中,然后才能进入到小设备。

Stojanovic还说:“我们预计封装芯片最先会进入数据中心,然后它会变得足够便宜,最终在手机和PC中普及。”研究人员的构想并非是纯粹的创意,已经有两家创业公司参与到光芯片的商业化运动之中。一家是Ayar Labs,它希望将光子互连技术商品化,还有一家是SiFive,它们希望在免费的RISC-V芯片设计方案上建立新业务。

在不久的将来,Stojanovic预计光子将可以连接电脑内的独立芯片,将一颗芯片与另一颗芯片相连。除此之外,硅光子技术还可以改进激光雷达的性能,无人驾驶汽车的激光传感器、脑显像和环境传感器的性能都会大大提升。硅光子有望重新改写历史,彻底改变电脑组合的方式。电信号传输受到了线缆长度的制约,例如,当标准USB连接的传输速度提高10倍时,最大线缆长度从16英尺降到了10英气。光连接却不会出现这样的问题,它的速度更快,信号不会衰减,美国大学展示的原型芯片是用10米的光连接的,它可以轻易扩展到千米。有了硅光子芯片,数据中心的电脑不必浪费时间等待另一台电脑的响应。

Stojanovic说:“我们的光解决方案可以让处理器更快接入网络。”电信号通过金属线传输,光连接只需要小小的能量就行了,芯片自己就能供应能量,这样可以节省电的成本,也不会存在电子元件过热的问题。原型芯片是用不常见的材料制作的,它将硅和锗结合,制造过程很困难,成本也很高。但最近一段时间,研究人员取得了进步,他们改良了硅光子技术,在芯片中使用了更多的硅材料。

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