等离子收发器可在处理器之间传送大量数据

等离子收发器可以在处理器之间传送大量数据

光纤链路已经是在数据中心的计算机集群之间传输数据的主要方法，工程师们希望将其炽热的带宽带到处理器上。多伦多大学（University of Toronto）和Arm的研究人员认为，这一步的代价可以大大降低。

与电子元件相比，硅光子学元件是巨大的。这是光学波长比现在的晶体管和把它们连接成电路的铜互连要大得多的函数。多伦多大学研究小组成员之一Charles Lin近日在IEEE国际电子设备会议（IEEE International Electron Device Meeting）上解释说，硅光子元件对温度变化也异常敏感，以至于光子学芯片必须包括加热元件，加热元件必须占其面积和能耗的一半左右。

在虚拟会议上，Amr S. Helmy实验室的研究员Lin介绍了一种新的硅收发器组件，这种组件依靠等离子体而不是光子学来回避这两个问题。到目前为止的研究结果表明，收发机的带宽至少是原来的两倍，而能耗仅为原来的三分之一，占地面积仅为原来的20%。更重要的是，它们可以直接构建在处理器上，而不是像硅光子学那样构建在单独的芯片上。

当光以一个浅的角度照射金属和绝缘体之间的界面时，就会形成等离子体激元：电子密度波沿着金属表面传播。方便的是，等离子体激元可以沿着比形成它的光窄得多的波导传播，但是它们通常会很快消失，因为金属会吸收光。

多伦多的研究人员发明了一种结构，利用等离子体电子的较小尺寸，同时大大减少了损耗。被称为耦合混合等离子体波导（coupled hybrid plasmonic waveguide，CPHW），它本质上是由硅、导体铟锡氧化物、二氧化硅、铝和更多的硅组成的叠层。这种结合形成了两种类型的半导体结-肖特基二极管和金属氧化物半导体与铝，其中包含在两者之间共同的等离子体激元。Lin说，在金属内部，上结的等离激元与下结的等离激元相互干扰，损耗降低了近两个数量级。

多伦多小组以CPHW为基础，建造了两个关键的光子学组件：一个调制器，将电子比特转换成光子比特；另一个光电探测器，将电子比特转换成光子比特。（正如在硅光子学中所做的那样，一个单独的激光器提供光；调制器阻挡光或让光通过以表示位。）调制器只占用2平方微米，并且可以以26千兆赫的速度切换，这是多伦多团队设备的极限。根据设备的测量电容，实际极限可能高达636千兆赫。等离子体光电探测器接近硅光子学的灵敏度，但它的尺寸只有硅光子学的1/36。

CPHW最大的优点之一是对温度不敏感。硅光子学元件有一个温度公差，不能摆动超过一度，以便他们在适当的波长运作。Arm首席研究工程师Saurabh Sinha解释说，温度敏感性是“硅光子学的一大挑战”。管理这种公差需要额外的电路和能源消耗。在一个模拟的16通道硅光子学收发器中，加热电路消耗了电路一半的能量，几乎占据了电路总面积的一小部分，这就意味着面积上的巨大差异：硅光子学为0.37mm2，等离子体收发器为0.07mm2。

基于CPHW的等离子体光子学收发器的模拟预测了比硅光子学的许多优点。CPHW系统消耗的能量不到竞争性硅光子学系统传输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网错误率轻松地传输超过3倍的比特，而不依赖纠错—每秒钟150千兆比特，而不是39 Gb/s。

Sinha说，Arm和多伦多小组正在讨论下一步的工作，其中可能包括探索这些收发器的其他潜在好处，例如，CPHW可以构建在处理器芯片上，而硅光子学设备必须与处理器分开制造，然后在处理器包内使用芯片技术。

原文标题：等离子体光子学：一种将处理器与光连接起来的新方法

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责任编辑：haq