Сегодня в компьютерах данные передаются по проводам в виде потока электронов. На это требуется много энергии, что помогает объяснить, почему ноутбуки так сильно нагреваются.«Несколько лет назад мой коллега Дэвид Миллер тщательно проанализировал энергопотребление компьютеров, и результаты были поразительными, — сказал Вукович, имея в виду профессора электротехники Дэвида Миллера. «До 80 процентов мощности микропроцессора расходуется на передачу данных по проводам — так называемые межсоединения».В статье Nature Photonics, ведущим автором которой является аспирант Стэнфорда Александр Пигготт, Вукович, профессор электротехники, и ее команда объясняют процесс, который может произвести революцию в вычислениях, сделав практичным использование света вместо электричества для передачи данных внутри компьютеров.
Проверенная технологияПо сути, инженеры Стэнфорда хотят миниатюризировать проверенную технологию Интернета, которая перемещает данные, излучая фотоны света через волоконно-оптические нити.
«Оптический транспорт использует гораздо меньше энергии, чем отправка электронов по проводам», — сказал Пигготт. «Для каналов связи в масштабе микросхемы свет может передавать в 20 раз больше данных».Теоретически это выполнимо, потому что кремний прозрачен для инфракрасного света — так же, как стекло прозрачно для видимого света.
Таким образом, провода можно было заменить оптическими межсоединениями: кремниевыми структурами, предназначенными для передачи инфракрасного света.Но до сих пор инженерам приходилось проектировать оптические межсоединения по одному. Учитывая, что для каждой электронной системы необходимы тысячи таких связей, оптическая передача данных остается непрактичной.Теперь инженеры Стэнфордского университета считают, что они преодолели это узкое место, изобрав то, что они называют алгоритмом обратного проектирования.
Он работает, как следует из названия: инженеры указывают, что они хотят от оптической схемы, а программное обеспечение предоставляет подробные сведения о том, как изготовить кремниевую структуру для выполнения этой задачи.«Мы использовали алгоритм для разработки работающей оптической схемы и сделали несколько копий в нашей лаборатории», — сказал Вукович.
Помимо Пигготта, в исследовательскую группу входили бывший аспирант Джесси Лу (ныне в Google), аспирант Ян Петикевич и докторанты Томас Бабинец и Константинос Лагудакис. Как сообщили в Nature Photonics, устройства работали безупречно, несмотря на крошечные недостатки.«Наши производственные процессы далеко не так точны, как на промышленных производственных предприятиях», — сказал Пигготт. «Тот факт, что мы можем создавать такие надежные устройства на нашем оборудовании, говорит нам о том, что эту технологию будет легко производить массово на самых современных объектах».Исследователи видят множество других потенциальных приложений для своего алгоритма обратного проектирования, включая широкополосную оптическую связь, компактные системы микроскопии и сверхзащищенную квантовую связь.
Свет и кремнийРабота Стэнфорда основана на хорошо известном факте, что инфракрасный свет проходит через кремний так же, как солнечный свет проходит через стекло.И подобно тому, как призма изгибает видимый свет, открывая радугу, различные кремниевые структуры могут полезными способами изгибать инфракрасный свет.
Стэнфордский алгоритм проектирует кремниевые структуры настолько тонкие, что более 20 из них могут располагаться бок о бок внутри диаметра человеческого волоса. Эти кремниевые межсоединения могут направлять инфракрасный свет определенной частоты в определенное место для замены провода.Загружая данные на эти частоты, Стэнфордский алгоритм может создавать переключатели или кабелепроводы или что-то еще, что требуется для этой задачи.Алгоритм обратного проектирования — это то, что делает оптические межсоединения практичными, описывая, как создать, какое количество кремниевых призм изгибает инфракрасный свет.
После того, как алгоритм рассчитал правильную форму для задачи, инженеры могут использовать стандартные производственные процессы для переноса этого рисунка на кусок кремния.«Наши структуры выглядят как швейцарский сыр, но они работают лучше, чем все, что мы видели раньше», — сказал Вукович.Она и Пигготт создали несколько различных типов оптических межсоединений и не видят ограничений на то, что может делать их алгоритм обратного проектирования.В своей статье Nature Photonics авторы Стэнфордского университета отмечают, что автоматизация крупномасштабного проектирования схем позволила инженерам создавать современную сложную электронику.
Автоматизируя процесс проектирования оптических межсоединений, они чувствуют, что заложили основу для следующего поколения еще более быстрых и гораздо более энергоэффективных компьютеров, которые используют свет, а не электричество для внутренней передачи данных.