Nové mikročipy nejspíš budou komunikovat světlem. Kredit: Glenn J. Asakawa / University of Colorado.

Vánoční číslo časopisu Nature přineslo hezký dárek všem milovníkům technologií budoucnosti, zejména pokud jde o procesory komunikující prostřednictvím fotonů. Jde o nový, technologicky převratný mikročip, který účinně spojuje technologie založené na elektronech a fotonech. Díky revolučnímu mikročipu se doširoka otevírají dveře k ultrarychlému a energeticky výjimečně úspornému zpracovávání dat.

Vladimir Stojanović. Kredit: MIT.

Vývoj převratného mikročipu vedl Vladimir Stojanović z Kalifornské univerzity v Berkeley. Jeho početný tým vytvořil čip o rozměrech 3 krát 6 milimetrů, který se skládá ze 2 výpočetních jader, více než 70 milionů tranzistorů a 850 fotonických komponent. Jeho konstrukce využívá open source architekturu RISC-V. Podle Stojanoviće je to vůbec první procesor, který se svým okolím komunikuje světlem. Podle Stojanovićova kolegy Krste Asanoviće je to také poprvé, kdy je podobně konstruovaný procesor komplexní a umí dělat něco rozumného, například spustit program.

V porovnání s elektrickými drátky jsou optická vlákna v mnoha ohledech lepší. Přenesou více dat, vyšší rychlostí, na větší vzdálenost, a s vynaložením méně energie. Pokroky v technologii optické komunikace poslední dobou sice dramaticky vylepšily přenos dat mezi počítači, přímo uvnitř čipů se ale fotonika prosazuje obtížněji. Až doposud totiž nikdo nedokázal integrovat fotonická zařízení do stávající složité výroby mikročipů. To je důležité k udržení nákladů na výrobu procesů a také k zajištění jejich rozumné spolehlivosti. Stojanović a spol. to ale podle všeho zvládli.

Nový mikročip s fotonikou pod mikroskopem. Kredit: Chen Sun & Sangyoon Han / UC Berkeley Marvell Nanofabrication Laboratory.

Badatelé si ověřili funkčnost nového mikročipu spouštěním různých počítačových programů, které vyžadují komunikaci procesoru s pamětí. V experimentech se ukázalo, že jejich fotoelektronický čip v některých parametrech komunikace doopravdy předčí nejlepší dostupné procesory. Podle vývojářů je zásadní výhoda optické komunikace v tom, že ke komunikaci na pár centimetrů, pár metrů nebo pár kilometrů stačí stejné množství energie. U vysokorychlostních linek s elektrickým signálem množství potřebné energie se vzdáleností citelně vzrůstá.

První mikročip s integrovanou fotonikou. Kredit: Glenn J. Asakawa / University of Colorado.

Současné IT technologie jsou vyloženě hladové po podobných převratných vynálezech. Podle americké neziskovky orientované na ochranu životního prostředí Natural Resources Defense Council v roce 2013 spotřebovala americká datacentra 91 miliard kilowatthodin elektrické energie, což odpovídá asi 2 procentům celkové spotřeby elektřiny USA v dotyčném roce. A divoký růst nároků IT technologií na energii nejeví žádnou známku únavy.

Situace je tak naléhavá, že souběžně s vývojem fotoelektronických čipů vznikají startupy, které se zaměřují na aplikace vyvíjených techhnologií. Startup SiFive připravuje k prodeji procesory s architekturou RISC-V, Ayar Labs se zase soustředí na fotonickou komunikaci a za své snaží letos obdrželi cenu od MIT Clean Energy Prize. Kromě snížení energetické náročnosti IT technologií prý můžeme čekat LIDARy pro autonomní automobily a roboty, aplikace v medicíně jako například zařízení pro ultrazvukové skenování mozků a nové senzory pro monitoring životního prostředí. 


Literatura
UC Berkeley 23. 12. 2015, Nature 528: 534–538.