شطيرة الرقاقة الإلكترونية / الضوئية تدفع حدود كفاءة الحوسبة ونقل البيانات

من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا

شطيرة الرقاقة:

شريحة إلكترونية (الشريحة الأصغر في الأعلى) مدمجة بشريحة ضوئية ، تجلس فوق بنس واحد لتوسيع نطاقها.
صمم المهندسون في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا وجامعة ساوثهامبتون في إنجلترا بشكل تعاوني شريحة إلكترونية مدمجة بشريحة ضوئية (تستخدم الضوء لنقل البيانات) - مما أدى إلى إنتاج منتج نهائي متماسك قادر على نقل المعلومات بسرعة فائقة مع توليد الحد الأدنى من الحرارة.
على الرغم من أنه من غير المحتمل أن تجد الشطيرة المكونة من شريحتين طريقها إلى الكمبيوتر المحمول الخاص بك ، إلا أن التصميم الجديد يمكن أن يؤثر على مستقبل مراكز البيانات التي تدير كميات كبيرة جدًا من اتصالات البيانات.
يقول أريان هاشمي تلخونشي (Arian Hashemi Talkhooncheh) ، طالب الدراسات العليا في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، المؤلف الرئيسي لـ ورقة تصف ابتكار الشريحتين الذي تم نشره في مجلة IEEE Journal of Solid-State Circuits في 3 نوفمبر.
"هناك أكثر من 2700 مركز بيانات في الولايات المتحدة وأكثر من 8000 مركز حول العالم ، مع أبراج من الخوادم مكدسة فوق بعضها البعض لإدارة تحميل آلاف تيرابايت من البيانات التي تدخل وتخرج كل ثانية."
تمامًا كما يسخن الكمبيوتر المحمول في حضنك أثناء استخدامه ، فإن أبراج الخوادم في مراكز البيانات التي تبقينا جميعًا متصلين أيضًا تزداد سخونة أثناء عملها ، فقط على نطاق أكبر بكثير.
حتى أن بعض مراكز البيانات مبنية تحت الماء لتبريد المنشأة بأكملها بسهولة أكبر.
وكلما زادت كفاءة صنعها ، قلت الحرارة التي ستولدها ، وفي النهاية ، زاد حجم المعلومات التي سيكونون قادرين على إدارتها.
تتم معالجة البيانات على الدوائر الإلكترونية ، بينما يتم نقل البيانات بكفاءة أكبر باستخدام الضوئيات.
يعد تحقيق سرعة فائقة في كل مجال أمرًا صعبًا للغاية ، ولكن هندسة الواجهة بينهما أكثر صعوبة.
"هناك طلب مستمر لزيادة سرعة اتصال البيانات بين الشرائح المختلفة ليس فقط في مراكز البيانات ولكن أيضًا في أجهزة الكمبيوتر عالية الأداء.
نظرًا لأن قوة الحوسبة لمقياس الرقائق ، يمكن أن تصبح سرعة الاتصال عنق الزجاجة ، خاصة في ظل الطاقة الصارمة "القيود" ، كما تقول أزيتا إمامي ، أستاذة أندرو وبيغي تشرنج في الهندسة الكهربائية والهندسة الطبية ؛ ضابط تنفيذي للهندسة الكهربائية . وكبير مؤلفي الورقة.
لمواجهة هذا التحدي ، صمم فريق Caltech / Southampton كلاً من شريحة إلكترونية وشريحة ضوئية من الألف إلى الياء وشاركوا في تحسينهما للعمل معًا. استغرقت العملية ، من الفكرة الأولية إلى الاختبار النهائي في المختبر ، أربع سنوات حتى تكتمل ، مع تأثير كل خيار تصميم على كلا الرقائق.

يقول (Hashemi):

"كان علينا تحسين النظام بأكمله في نفس الوقت ، مما مكننا من تحقيق كفاءة فائقة في استهلاك الطاقة" .
"تم تصنيع هاتين الشريحتين حرفيًا لبعضهما البعض ، ومتكاملة مع بعضهما البعض في ثلاثة أبعاد" .
تسمح الواجهة المحسّنة الناتجة بين الشريحتين بنقل 100 جيجابت من البيانات في الثانية مع إنتاج 2.4 بيكو جول فقط لكل بت مرسلة.
يعمل هذا على تحسين كفاءة الطاقة الكهروضوئية للإرسال بمعامل 3.6 مقارنةً بأحدث التقنيات الحالية.
بيكوجول هو واحد من تريليون من الجول ، والذي يُعرَّف بأنه الطاقة المنبعثة في ثانية واحدة بواسطة تيار 1 أمبير من خلال مقاومة 1 أوم - أو حوالي 0.24 سعرة حرارية.

يقول (Emami) :

"نظرًا لأن العالم أصبح أكثر ارتباطًا ، وكل جهاز يولد المزيد من البيانات ، فإنه من المثير إظهار أنه يمكننا تحقيق مثل هذه المعدلات العالية للبيانات مع حرق جزء صغير من الطاقة مقارنة بالتقنيات التقليدية".
تحمل الورقة عنوان "جهاز إرسال بصري PAM4 بسرعة 100 جيجابت / ثانية في منصة SiPh-CMOS متكاملة ثلاثية الأبعاد باستخدام مُعدِّلات MOSCAP المقسمة."