Costruito un processore con interconnessioni fotoniche

L'unione di elettronica e fotonica in un singolo chip, così da poter sfruttare le proprietà della luce invece dei collegamenti in rame per spostare i dati tra i processori, è un obiettivo a cui i ricercatori lavorano da tempo. La possibilità di utilizzare connessioni ottiche consentirebbe infatti di superare i colli di bottiglia propri dei collegamenti fisici e di poter sfruttare appieno i passi avanti compiuti nel progresso delle capacità computazionali dei processori.

Si tratta, però, di un obiettivo piuttosto complesso da raggiungere per via delle numerose differenze tra l'elettronica e la fotonica. Un gruppo di ricercatori e ingegneri provenienti dal MIT, dall'University of California-Berkeley e dall'University of Colorado-Boulder ha però proposto un nuovo metodo per la costruzione di transistor e componenti ottici sullo stesso chip riuscendo, per la prima volta, a non stravolgere il processo di produzione del chip.

Fondando una startup per commercializzare l'approccio che essi chiamano "zero-change", i ricercatori hanno utilizzato il metodo per realizzare un circuito integrato da 70 milioni di transistor e 850 componenti fotonici che insieme mettono a disposizione tutta la logica, la memoria e le funzioni di interconnessione di cui un processore ha bisogno. Questo approccio si basa sui processi CMOS standard utilizzati per produrre i processori attuali - nello specifico un processo ad alte prestazioni per il nodo a 45 nanometri, il cui debutto risale al 2007 con i processori "Penryn" di Intel. "Non abbiamo fatto alcun cambiamento al processo" ha sottolineato Chen Sun, primo autore della pubblicazione che spiega il processo, apparsa nell'ultima edizione di Nature.

I ricercatori hanno usato un substrato in silicio e aggiunto uno strato di ossido di silicio di 200 nanometri di spessore che funge da isolante. Su questo viene collocato lo strato attivo, 100 nanometri di silicio cristallino più 100 nanometri di nitruri e una copertura dielettrica. Il silicio cristallino include una piccola quantità di germanio che opera uno stress sul silicio e velocizzi l'operatività dei circuiti. Il processore realizzato si basa su architettura RISC-V dual-core e include inoltre 1MB di memoria SRAM.

Un componente chiave della parte fotonica del chip è un risuonatore a micro-anello da 10 micrometri, abbinato ad una guida d'onda. La struttura è stata drogata con gli stessi elementi che vengono usati per realizzare le giunzioni p-n nei transitor, creando così un filtro che lascia passare la radiazione luminosa ad eccezione di una singola lunghezza d'onda. L'applicazione di una opportuna tensione permette di modulare il fascio di luce imprimendovi quindi dei segnali digitali.

I risonatori a micro-anello esistono da diverso tempo, ma "moltre persone del settore li hanno ignorati" afferma Sun. Questo perché quando si scaldano, modificano l'indice di rifrazione e si spostano dalla lunghezza d'onda desiderata. Il team ha quindi sviluppato un sistema attivo di stabilizzazione termica per aggirare questo problema. Il sistema di stabilizzazione include un fotoricettore separato e un controller digitale. Quando il ricettore osserva un cambiamento della quantità di fotocorrente che lo investe, il controller altera la tensione applicata al micro-anello, variando la quantità di calore che dissipa.

Sun afferma che la startup, Ayar Labs, spera di essere in grado di commercializzare la tecnologia nel giro di un paio d'anni. Anthony Levi, professore di ingegneria elettrica e fisica al Photonics Center dell'University of Southern California è però scettico. Egli afferma infatti che agli ingegneri va il merito di aver realizzato un chip poerativo che integra elettronica e fotonica, ma allo stesso tempo dubita che l'approccio possa essere pratico. "La sfida della silicon photonics resta la stessa che è sempre stata: troppa perdita ottica, troppa dissipazione di energia e area del chip troppo grande a e via dicendo" osserva Levi. "Anche se la tecnologia funziona ci deve essere una ragione sufficientemente valida per adottare un approccio nuovo e distruttivo alla costruzione di sistemi" ha osservato Levi.