Ingenieurs bouwen ’s werelds eerste processor die communiceert via licht

Communicatie via licht is superieur aan klassieke communicatie met elektriciteitssignalen. Een elektrisch signaal heeft nood aan een zogenaamde repeater, die het versterkt zodat het kwalitatief blijft over lange afstanden, en dat zorgt voor een relatief hoog energieverbruik. Voor bliksemsnelle communicatie over lange afstanden geniet licht de voorkeur. Daarom maakt de ruggengraat van snelle netwerken gebruik van glasvezel. Sneller, zuiniger én een grotere bandbreedte, en mens vraagt zich af waarom niet alles met licht werkt.

Licht vs transistors

Het antwoord: het is minder eenvoudig dan het klinkt. Een microchip maakt gebruik van elektronen en transistors om z’n ding te doen. Een programma vraagt iets aan een processor, waarna die een elektronisch antwoord geeft. Dat signaal moet in licht worden omgezet, en daarvoor is gespecialiseerde hardware nodig, of liever, was.

Onderzoekers van de universiteit van Californië en MIT zijn er nu voor het eerst in geslaagd een praktisch bruikbare microchip te bouwen die klassieke transistortechnologie combineert met geavanceerde fotonische technologie. De grootste uitdaging hier is het productieproces. Een microchip bouwen kunnen we intussen goed, elektrische computersignalen omzetten naar licht ook, maar tot nu dachten onderzoekers dat het niet zomaar mogelijk was om de lichtcomponent op de microchip te plaatsen. Het fabricageproces van de chip zou niet compatibel zijn met dat van de fotonische component.

Integratie met chip

De wetenschappers slaagden erin om de componenten van de chip voor hen te laten werken. Zo ontdekten ze hoe de silicium-germanium-legering waaruit moderne microchips zijn opgebouwd in te zetten om het licht te geleiden. Het resultaat is een processor die lichtsignalen uitstuurt alsook optische signalen kan interpreteren.

Volgens het team achter de doorbraak heeft hun experimentele chip een bandbreedte per vierkante millimeter van 300 gigabits per seconde, tien tot vijftig keer meer dan wat klassieke componenten, vandaag op de markt beschikbaar, kunnen bieden. Dat staat te lezen in Nature.

Eenvoudig te bouwen en praktisch te gebruiken

Het uitzonderlijkste aan de microchip is misschien wel de manier waarop hij gebouwd is. De chip is geen kind geboren uit speciale en dure laboratoriumcondities: de wetenschappers klopten aan bij een grote chipbakker voor hun creatie. Daarmee toonden ze aan dat het huidige productieproces perfect kan aangepast worden om de nieuwe microchip te fabriceren. Bovendien is de chip praktisch meteen bruikbaar: het team liet hun creatie met succes realistische code draaien.

In eerste instantie kan de geïntegreerde optische chip voordelen bieden voor datacenters. De chip verbruikt 1,3 picojoules per bit wat neerkomt op 1,3 watt voor de verzending van één terabit aan gegevens per seconde. Bovendien staat het energieverbruik helemaal los van de afstand die de data moet overbruggen. Datacenters, die in 2013 verantwoordelijk waren voor een verbruik van 91 miljard kilowattuur in de VS alleen (goed voor twee procent van het totale stroomverbruik van dat land), kunnen hun dorst naar elektriciteit drastisch terugdringen met de nieuwe microchips. Het onderzoek leidde al tot de oprichting van twee start-ups die naar toepassingen in datacenters kijken.