等離子收發器可以在處理器之間傳送大量數據

光纖鏈路已經是在數據中心的計算機集群之間傳輸數據的主要方法，工程師們希望將其熾熱的帶寬帶到處理器上。多倫多大學（University of Toronto）和Arm的研究人員認為，這一步的代價可以大大降低。

與電子元件相比，硅光子學元件是巨大的。這是光學波長比現在的晶體管和把它們連接成電路的銅互連要大得多的函數。多倫多大學研究小組成員之一Charles Lin近日在IEEE國際電子設備會議（IEEE International Electron Device Meeting）上解釋說，硅光子元件對溫度變化也異常敏感，以至于光子學芯片必須包括加熱元件，加熱元件必須占其面積和能耗的一半左右。

在虛擬會議上，Amr S. Helmy實驗室的研究員Lin介紹了一種新的硅收發器組件，這種組件依靠等離子體而不是光子學來回避這兩個問題。到目前為止的研究結果表明，收發機的帶寬至少是原來的兩倍，而能耗僅為原來的三分之一，占地面積僅為原來的20%。更重要的是，它們可以直接構建在處理器上，而不是像硅光子學那樣構建在單獨的芯片上。

當光以一個淺的角度照射金屬和絕緣體之間的界面時，就會形成等離子體激元：電子密度波沿著金屬表面傳播。方便的是，等離子體激元可以沿著比形成它的光窄得多的波導傳播，但是它們通常會很快消失，因為金屬會吸收光。

多倫多的研究人員發明了一種結構，利用等離子體電子的較小尺寸，同時大大減少了損耗。被稱為耦合混合等離子體波導（coupled hybrid plasmonic waveguide，CPHW），它本質上是由硅、導體銦錫氧化物、二氧化硅、鋁和更多的硅組成的疊層。這種結合形成了兩種類型的半導體結-肖特基二極管和金屬氧化物半導體與鋁，其中包含在兩者之間共同的等離子體激元。Lin說，在金屬內部，上結的等離激元與下結的等離激元相互干擾，損耗降低了近兩個數量級。

多倫多小組以CPHW為基礎，建造了兩個關鍵的光子學組件：一個調制器，將電子比特轉換成光子比特；另一個光電探測器，將電子比特轉換成光子比特。（正如在硅光子學中所做的那樣，一個單獨的激光器提供光；調制器阻擋光或讓光通過以表示位。）調制器只占用2平方微米，并且可以以26千兆赫的速度切換，這是多倫多團隊設備的極限。根據設備的測量電容，實際極限可能高達636千兆赫。等離子體光電探測器接近硅光子學的靈敏度，但它的尺寸只有硅光子學的1/36。

CPHW最大的優點之一是對溫度不敏感。硅光子學元件有一個溫度公差，不能擺動超過一度，以便他們在適當的波長運作。Arm首席研究工程師Saurabh Sinha解釋說，溫度敏感性是“硅光子學的一大挑戰”。管理這種公差需要額外的電路和能源消耗。在一個模擬的16通道硅光子學收發器中，加熱電路消耗了電路一半的能量，幾乎占據了電路總面積的一小部分，這就意味著面積上的巨大差異：硅光子學為0.37mm2，等離子體收發器為0.07mm2。

基于CPHW的等離子體光子學收發器的模擬預測了比硅光子學的許多優點。CPHW系統消耗的能量不到競爭性硅光子學系統傳輸的每比特能量的三分之一—每比特0.49微微焦耳，而不是1.52 pJ/b。它可以以可接受的以太網錯誤率輕松地傳輸超過3倍的比特，而不依賴糾錯—每秒鐘150千兆比特，而不是39 Gb/s。

Sinha說，Arm和多倫多小組正在討論下一步的工作，其中可能包括探索這些收發器的其他潛在好處，例如，CPHW可以構建在處理器芯片上，而硅光子學設備必須與處理器分開制造，然后在處理器包內使用芯片技術。

原文標題：等離子體光子學：一種將處理器與光連接起來的新方法

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責任編輯：haq