Ayar e la comunicazione fotonica, che arriva ai chip del computer

Ayar: i chip optoelettronici potrebbero ridurre il consumo di energia fino al 50%. Vediamo come nella ricerca portata avanti al MIT!

Con la ricerca sviluppata dalla startup Ayar i nuovi chip optoelettronici e una nuova partnership con un produttore di chip di silicio, lo spinout del MIT, Ayar Labs, mira ad aumentare la velocità e ridurre il consumo di energia nell’informatica, a cominciare dai data center.

Sostenuto da anni di ricerche al MIT, Ayar ha sviluppato dei chip che spostano i dati con la luce ma calcolano elettronicamente. Il design esclusivo integra comunicazioni ottiche veloci ed efficienti, con componenti che trasmettono dati usando le onde luminose nei chip di computer tradizionali, sostituendo fili di rame che sono meno efficienti.

In questo caso i chip possono ridurre l’utilizzo di energia di circa il 95 percento nelle comunicazioni chip-to-chip e aumentare la larghezza di banda di dieci volte rispetto alle controparti basate su rame. Nei massive data center questi chip potrebbero ridurre il consumo totale di energia del 30-50%, afferma il CEO Alex Wright-Gladstein.

“In questo momento c’è un collo di bottiglia nella larghezza di banda nei grandi data center“, afferma Wright-Gladstein, che ha co-fondato Ayar con Chen Sun e Mark Wade, un laureato dell’Università del Colorado ed ex ricercatore del MIT. “Questa è un’applicazione entusiasmante e il primo posto che ha davvero bisogno di questa tecnologia.“

A dicembre la startup ha siglato un accordo con GlobalFoundries, uno dei maggiori produttori mondiali di chip di silicio, per portare sul mercato il suo primo prodotto, un sistema di input-output ottico chiamato Brilliant.

I chip potrebbero anche essere utilizzati nei supercomputer, aggiunge Wright-Gladstein, che hanno problemi di efficienza e vincoli di velocità simili a quelli dei data center. Lungo la strada, la tecnologia potrebbe anche migliorare altri campi, dai veicoli senza conducente ai dispositivi medici a realtà aumentata. “Siamo entusiasti non solo di ciò che questo può fare per i data center, ma di ciò che nuove cose consentiranno in futuro”, afferma Wright-Gladstein.

Vedere la luce con Ayar

La tecnologia di base di Ayar, ora è supportata da oltre 25 articoli accademici. La ricerca è iniziata a metà degli anni 2000 al MIT come parte del progetto POEM (Photonically Optimized Embedded Microprocessors) guidato da Vladimir Stojanovic, ora professore associato di ingegneria elettrica e informatica presso l’Università della California a Berkeley, in collaborazione con Rajeev Ram, professore di ingegneria elettrica e Milos Popovic, ora professore assistente di ingegneria elettrica e informatica presso l’Università di Boston.

La soluzione al problema della trasmissione dei dati è la seguente: un cavo ottico può trasmettere più segnali di dati su diverse lunghezze d’onda della luce, mentre i fili di rame sono limitati a un segnale per filo. I chip ottici possono quindi trasmettere più informazioni utilizzando molto meno spazio. Inoltre, la fotonica produce pochissimo calore di scarto. I dati che passano attraverso i fili di rame generano grandi quantità di calore di scarto, il che danneggia l’efficienza dei singoli chip. Questo è un problema nei data center, dove i fili di rame corrono all’interno e tra i server.

All’epoca in cui i gruppi di ricerca di Ram, Stojanovic e Popovic stavano lavorando al progetto POEM, grandi aziende come Intel e IBM stavano cercando di progettare chip ottici economici e scalabili. La collaborazione, che comprendeva Sun e Wade, ha avuto un approccio diverso: hanno integrato componenti ottici su chip di silicio, fabbricati utilizzando il tradizionale processo di fabbricazione dei semiconduttori CMOS che sforna chip per pochi centesimi. “All’epoca era un’idea all’avanguardia”, dice Wright-Gladstein. “CMOS non si presta bene in questo caso, quindi i veterani del settore hanno pensato che avremmo dovuto apportare importanti cambiamenti per farlo funzionare.”

Per evitare di apportare modifiche al processo CMOS, i ricercatori si sono concentrati su una nuova classe di componenti ottici miniaturizzati, compresi fotorivelatori, modulatori di luce, guide d’onda e filtri ottici che codificano i dati su diverse lunghezze d’onda della luce, per poi trasmetterli e decodificarli. L’idea era di aiutare la trasmissione dei dati al passo con la legge di Moore. Il numero di transistor su un chip può raddoppiare ogni due anni, afferma Wright-Gladstein, “ma la quantità di dati che trasmettiamo su questi pin di rame non è cresciuta allo stesso ritmo.”

I chip del computer inviano i dati tra i chip con diverse funzioni, come chip logici e chip di memoria. Con le comunicazioni basate su rame, tuttavia, i chip non possono inviare e ricevere dati sufficienti per trarre vantaggio dalla loro crescente potenza di elaborazione. Ciò ha causato un “collo di bottiglia”, in cui i chip devono attendere lunghe durate per inviare e ricevere dati. Più della metà dei tempi nei data center, ad esempio, i circuiti sono in attesa di dati in entrata e in uscita, afferma Wright-Gladstein. “È un enorme spreco”, dice. “Stanno usando quasi tutta la potenza al minimo rispetto a quanto stanno lavorando.”

Nel 2015, i ricercatori, insieme al team di Krste Asanovic presso l’UC Berkeley, hanno realizzato il primo processore per comunicare usando la luce e pubblicato i risultati su Nature. I chip, fabbricati presso una struttura di fabbricazione di GlobalFoundries, contenevano 850 componenti ottici e 70 milioni di transistor, oltre a chip tradizionali fabbricati nella stessa struttura.

Wright-Gladstein ha formato un team per creare un Business Plan e un Pitch. Ha inoltre collaborato con Sun e Wade nel parlare con potenziali clienti del settore. Quando si è tenuto il MIT Clean Energy Prize, i tre ricercatori sono entrati in gara con il nome OptiBit e hanno vinto entrambi i premi per $275.000, consolidando la loro decisione di lanciare una startup.

“Avere dei fondi sin da subito per pagarci gli stipendi e avere un piccolo cuscino prima di raccogliere fondi di capitale di rischio ci ha veramente convinti tutti a fare il grande passo”, dice Wright-Gladstein.

Quest’anno, i primi prototipi di Ayar dovrebbero raggiungere i data center degli Stati Uniti, con una versione commerciale prevista per il 2019. 

Fonte: MIT