Met nieuwe opto-elektronische chips en een nieuwe samenwerking met een vooraanstaande fabrikant van siliciumchips, MIT-spin-out Ayar Labs heeft tot doel de snelheid te verhogen en het energieverbruik bij computers te verminderen, beginnend met datacenters.

Gesteund door jarenlang onderzoek aan het MIT en elders, Ayar heeft chips ontwikkeld die gegevens met licht verplaatsen, maar elektronisch rekenen. Het unieke ontwerp integreert snelle, efficiënte optische communicatie - met componenten die gegevens verzenden met behulp van lichtgolven - naar traditionele computerchips, vervangen van minder efficiënte koperdraden.

Volgens de startup de chips kunnen het energieverbruik in chip-to-chip-communicatie met ongeveer 95 procent verminderen en de bandbreedte vertienvoudigen ten opzichte van hun op koper gebaseerde tegenhangers. In enorme datacenters, de eerste doelapplicatie van Ayar, gerund door techreuzen als Facebook en Amazon, de chips zouden het totale energieverbruik met 30 tot 50 procent kunnen verminderen, zegt CEO Alex Wright-Gladstein MBA '15.

"Op dit moment is er een bandbreedte-knelpunt in grote datacenters, " zegt Wright-Gladstein, die samen met Chen Sun Ph.D. Ayar oprichtte. '15 en Mark Wade, afgestudeerd aan de Universiteit van Colorado en voormalig MIT-onderzoeker. "Dat is een spannende toepassing en de eerste plaats die deze technologie echt nodig heeft."

In december, de startup een deal sloot met GlobalFoundries, een toonaangevende wereldwijde fabrikant van siliciumchips, om zijn eerste product te brengen, een optisch input-outputsysteem genaamd Brilliant, volgend jaar op de markt.

De chips kunnen ook worden gebruikt in supercomputers, Wright-Gladstein voegt toe:die vergelijkbare efficiëntieproblemen en snelheidsbeperkingen hebben als datacenters. Aan het einde van de weg, de technologie zou ook de optica op verschillende gebieden kunnen verbeteren, van autonome voertuigen en medische apparaten tot augmented reality. "We zijn niet alleen enthousiast over wat dit kan doen voor datacenters, maar welke nieuwe dingen zal dit in de toekomst mogelijk maken, ' zegt Wright-Gladstein.

Het licht zien

De kerntechnologie van Ayar - nu ondersteund door meer dan 25 academische papers - is een decennium in de maak. De onderzoekssamenwerking begon in het midden van de jaren 2000 aan het MIT als onderdeel van het Photonically Optimized Embedded Microprocessors (POEM)-project van het Defense Advanced Research Project Agency, onder leiding van Vladimir Stojanovic, nu universitair hoofddocent elektrotechniek en computerwetenschappen aan de University of California in Berkeley, in samenwerking met Rajeev Ram, een MIT-hoogleraar elektrotechniek en hoofdonderzoeker voor de groep Physical Optics and Electronics, en Milos Popovic, nu een assistent-professor elektrische en computertechniek aan de Boston University.

Het idee was om de datatransmissie te helpen de wet van Moore bij te houden. Het aantal transistors op een chip kan elke twee jaar verdubbelen, Wright-Gladstein zegt, "Maar de hoeveelheid gegevens die we over die koperen pinnen duwen, is niet in hetzelfde tempo gegroeid."

Computerchips verzenden gegevens tussen chips met verschillende functies, zoals logische chips en geheugenchips. Met op koper gebaseerde communicatie, echter, de chips kunnen niet genoeg gegevens verzenden en ontvangen om te profiteren van hun toenemende verwerkingskracht. Dat veroorzaakte een "knelpunt, " waar chips lang moeten wachten om gegevens te verzenden en ontvangen. Meer dan de helft van de tijd in datacenters, bijvoorbeeld, circuits wachten op data die komen en gaan, Wright-Gladstein zegt. "Het is een enorme verspilling, "zegt ze. "Ze verbruiken bijna net zoveel stroom als ze stationair draaien als wanneer ze aan het werk zijn."

Een oplossing is licht. Een optische draad kan meerdere datasignalen verzenden op verschillende golflengten van licht, terwijl koperdraden beperkt zijn tot één signaal per draad. Optische chips kunnen, daarom, meer informatie verzenden met aanzienlijk minder ruimte. Bovendien, fotonica produceert zeer weinig restwarmte. Gegevens die door koperdraden gaan, genereren grote hoeveelheden afvalwarmte, wat de efficiëntie in individuele chips schaadt. Dit is een probleem in datacenters, waar koperdraden binnen en tussen servers lopen.

Op het moment dat de onderzoeksgroepen van Ram, Stojanovic, en Popovic werkten aan het POEM-project, grote bedrijven zoals Intel en IBM probeerden goedkope, schaalbare optische chips. De samenwerking - die toen ook Sun en Wade omvatte - had een andere benadering:ze integreerden optische componenten op siliciumchips, die zijn vervaardigd met behulp van het traditionele CMOS-fabricageproces voor halfgeleiders dat chips produceert voor centen. "Dat was destijds een radicaal idee, Wright-Gladstein zegt. CMOS leent zich niet goed voor optica, dus veteranen uit de industrie gingen ervan uit dat je grote veranderingen zou moeten doorvoeren om het te laten werken."

Om te voorkomen dat u wijzigingen aanbrengt in het CMOS-proces, de onderzoekers concentreerden zich op een nieuwe klasse van geminiaturiseerde optische componenten, inclusief fotodetectoren, lichte modulatoren, golfgeleiders, en optische filters die gegevens coderen op verschillende golflengten van licht, en vervolgens verzenden en decoderen. Ze hebben in wezen de traditionele methode voor het ontwerpen van siliciumchips 'gehackt', het gebruik van lagen die bedoeld zijn voor elektronica om optische apparaten te bouwen, en het mogelijk maken dat chipontwerpen optica bevatten die strakker is geconfigureerd dan ooit in de structuur van een chip.

in 2015, de onderzoekers, samen met het team van Krste Asanovic bij UC Berkeley de eerste processor die met licht communiceerde en de resultaten publiceerde in Natuur . De chips, vervaardigd in een fabricagefaciliteit van GlobalFoundries, bevatte 850 optische componenten en 70 miljoen transistors, en presteerden even goed als traditionele chips die in dezelfde fabriek werden vervaardigd.

De sprong wagen

Achter de schermen, Wright-Gladstein dacht al aan commercialisering. Het jaar voor de publicatie, ze had ingeschreven aan de MIT Sloan School of Management, specifiek om onderzoekers te ontmoeten die schone energie aanpakken. 15.366 nemen (Energy Ventures), die zich richt op het commercialiseren van schone MIT-technologieën, ze werd gekozen om de technologieën te selecteren om in de klas te brengen. "Dat was het perfecte excuus om elke onderzoeker te ontmoeten die energiegerelateerd onderzoek doet, ' zegt Wright-Gladstein.

Van de enorme pool van 300 laboratoria, kwam ze Ram's opto-elektronische chips tegen - die "me wegbliezen, " zegt ze. De energie-industrie was gericht op innovaties van apparatuur om energie te besparen in datacenters. "Maar er was niet veel aandacht voor het verminderen van energie door middel van computers zelf, Wright-Gladstein zegt. "Het leek me een geweldige manier om indruk te maken."

Wright-Gladstein vormde een team in de klas om een ​​businessplan en pitchdeck te maken. Ze werkte ook vaak samen met Sun en Wade bij het spreken met potentiële klanten uit de industrie. Toen de MIT Clean Energy Prize ronddraaide, de drie studenten gingen de technologie in onder de naam, OptiBit - en won beide hoofdprijzen voor $ 275, 000, hun beslissing om een ​​startup te starten verstevigen.

"Het feit dat we al vroeg geld hadden om onszelf lage salarissen te betalen en een beetje buffer hadden voordat we durfkapitaalfondsen ophaalden, hebben ons allemaal echt overtuigd om de sprong te wagen. ' zegt Wright-Gladstein.

Winkel opzetten in San Francisco, de startup voortgezet onderzoek en ontwikkeling, het verhogen van de communicatie datasnelheden van de technologie. Vorig jaar, GlobalFoundries was geïnteresseerd in deze constante innovaties en sloot een partnerschap met de startup, die een aantal niet-openbaar gemaakte financiering omvatte. Dit jaar, Ayar's eerste prototypes zouden Amerikaanse datacenters moeten bereiken, met een geplande commerciële release in 2019.

Het oplossen van het input-outputprobleem van de chip is nog maar het begin. Ayar is ook enthousiast over wat zijn nieuwe technologie betekent voor de optica, Wright-Gladstein zegt. optische sensoren, bijvoorbeeld, worden gebruikt in zelfrijdende of semi-autonome voertuigen en dure medische apparatuur. Verlaging van de productiekosten, terwijl de rekenkracht toeneemt, van opto-elektronische chips zouden die technologieën veel goedkoper en toegankelijker kunnen maken.

"We beginnen met het oplossen van dit knelpuntprobleem in traditionele siliciumchips, maar uiteindelijk zijn we enthousiast over alle verschillende plaatsen waar deze technologie naartoe zal gaan, Wright-Gladstein zegt. "Dit gaat de beschikbaarheid van optica veranderen, en hoe de wereld optica kan gebruiken, op manieren die verder gaan dan wat we nu kunnen voorspellen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.