Соединение кремниевых чипов проводником толщиной в волос

Исследователи разработали систему передачи данных, которая может передавать информацию в 10 раз быстрее, чем USB. Новый канал соединяет высокочастотные кремниевые чипы полимерным кабелем в виде тонкой пряди волос. Однажды эта система может повысить энергоэффективность ЦОД и облегчить загрузку космических аппаратов, богатых электроникой.

Исследование было представлено на Международной конференции IEEE по твердотельным схемам. Ведущий автор Джек Холлоуэй (Jack Holloway) защитил докторскую диссертацию на факультете электротехники и информатики Массачусетского технологического института (EECS) и в настоящее время работает в Raytheon.

Необходимость быстрого обмена данными очевидна, особенно в эпоху удаленной работы. «Произошел взрывной рост объема данных, передаваемой между компьютерными микросхемами, - облачные вычисления, Интернет, большие данные. И многое из этого происходит по обычным медным проводам», - говорит д-р Холлоуэй. Но медные провода, подобные тем, которые используются в кабелях USB или HDMI, потребляют много энергии, особенно при работе с большими объемами данных. «Существует фундаментальный компромисс между количеством сожженной энергии и скоростью обмена информацией». Несмотря на растущий спрос на быструю передачу данных (более 100 гигабит в секунду) по каналам длиной более метра, д-р Холлоуэй говорит, что типичным решением были «все более громоздкие и дорогие» медные кабели.

Альтернативой медному проводу является оптоволоконный кабель, хотя и у него есть свои проблемы. В то время как медные провода используют электрическую сигнализацию, оптоволокно используют фотоны. Это позволяет оптоволоконному кабелю передавать данные быстро и с минимальным рассеиванием энергии. Но кремниевые компьютерные микросхемы обычно плохо взаимодействуют с фотонами, что затрудняет соединение между оптоволоконными кабелями и компьютерами. «В настоящее время нет способа эффективно генерировать, усиливать или обнаруживать фотоны в кремнии, - говорит Холлоуэй. - Существуют всевозможные дорогие и сложные схемы интеграции, но с экономической точки зрения это не лучшее решение». Итак, исследователи разработали свое собственное.

В новом канале связи используются преимущества как медных, так и оптоволоконных кабелей, но при этом устранены их недостатки. «Это отличный пример дополнительного решения», - говорит Догиамис. Их канал изготовлен из пластикового полимера, поэтому он легче и дешевле в производстве, чем традиционные медные кабели. Но когда полимерная линия связи работает с электромагнитными сигналами субтерагерцового диапазона, она гораздо более энергоэффективна, чем медь, при передаче большой нагрузки данных. Новая линия связи по эффективности не уступает оптоволоконной, но имеет ключевое преимущество: «Она напрямую совместима с кремниевыми микросхемами, без какого-либо специального производства», - говорит д-р Холлоуэй.

Команда разработала такие недорогие чипы для соединения с полимерным каналом. Как правило, кремниевые чипы не могут работать на частотах ниже терагерцовых. Тем не менее, новые чипы команды генерируют эти высокочастотные сигналы с достаточной мощностью для передачи данных непосредственно в канал. По словам исследователей, такое чистое соединение кремниевых чипов с каналом означает, что вся система может быть изготовлена стандартными и экономичными методами.

Новое соединение также превосходит медные и оптоволоконные кабели по размеру. «Площадь поперечного сечения нашего кабеля составляет 0,4 х 0,25 мм2, - говорит Хан. - Итак, он очень маленький, как прядь волос». Несмотря на небольшой размер, он может нести большой объем данных, поскольку отправляет сигналы по трем различным параллельным каналам, разделенным по частоте. Общая пропускная способность канала составляет 105 Гб/с, что почти на порядок быстрее, чем у USB-кабеля на медной основе. Догиамис говорит, что кабель может «решить проблемы с пропускной способностью, поскольку мы видим эту мегатенденцию к увеличению объемов данных».

В будущей работе Хан надеется сделать полимерные каналы еще быстрее, объединив их вместе. «Тогда скорость передачи данных может быть 1 Тб/с, но по низкой цене», - говорит он.

Исследователи предполагают, что приложения с высокой плотностью данных, такие как серверные фермы, могут стать первыми пользователями новых каналов, поскольку они могут резко снизить высокие потребности ЦОД в энергии. Линия связи также может стать ключевым решением для аэрокосмической и автомобильной промышленности, которые уделяют особое внимание небольшим и легким устройствам. И однажды, благодаря простоте и скорости линии связи, она сможет заменить кабели бытовой электроники в домах и офисах. «Это намного дешевле, чем подходы [медные или оптоволоконные], со значительно более широкой полосой пропускания и меньшими потерями, чем у традиционных медных решений», - говорит Холлоуэй.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365