Система передачи данных соединяет кремниевые чипы с помощью кабеля шириной в волос

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

Исследование было представлено на Международной конференции по твердотельным схемам IEEE в этом месяце. Ведущий автор — Джек Холлоуэй ’03, MNG ’04, который прошлой осенью получил докторскую степень на факультете электротехники и информатики Массачусетского технологического института (EECS) и в настоящее время работает в Raytheon. Соавторами являются Руонан Хан, доцент и советник Холлоуэя по EECS, и Георгиос Догиамис, старший научный сотрудник Intel.

Необходимость быстрого обмена данными очевидна, особенно в эпоху удаленной работы. «Произошел взрывной рост объема информации, передаваемой между компьютерными чипами — облачные вычисления, Интернет, большие данные. И многое из этого происходит с обычным медным проводом », — говорит 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, 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 свою собственную.

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 кабелепровод сделан из пластикового полимера, поэтому он легче и потенциально дешевле в производстве, чем традиционные медные кабели. Но когда полимерная линия связи работает с электромагнитными сигналами суб-терагерцового диапазона, она намного 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 Холлоуэй.

Команда разработала такие недорогие чипы для соединения с полимерным трубопроводом. 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 кабелепроводом означает, что вся система может быть изготовлена ​​стандартными экономичными методами.

Новое звено также превосходит медь по размеру. «Площадь поперечного сечения нашего кабеля составляет 0,4 миллиметра на четверть миллиметра», — 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 гигабит в секунду, 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 трубопроводы еще быстрее, связав их вместе. «Тогда скорость передачи данных выйдет за рамки графиков», — говорит он. «Это может быть один терабит в секунду, но по низкой цене».

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 центров обработки данных 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. «Итак, дайте пять всем кругу».