Con nuovi chip optoelettronici e una nuova partnership con un importante produttore di chip di silicio, Lo spin-out 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 ricerca al MIT e altrove, Ayar ha sviluppato chip che spostano i dati con la luce ma calcolano elettronicamente. Il design unico integra velocità, comunicazioni ottiche efficienti, con componenti che trasmettono dati utilizzando onde luminose, in chip di computer tradizionali, sostituzione di fili di rame meno efficienti.

Secondo la startup, i chip possono ridurre il consumo di energia di circa il 95 percento nelle comunicazioni chip-to-chip e aumentare la larghezza di banda di dieci volte rispetto alle loro controparti a base di rame. In enormi data center, la prima applicazione target di Ayar, gestiti da giganti della tecnologia come Facebook e Amazon, i chip potrebbero ridurre il consumo totale di energia dal 30 al 50 percento, afferma il CEO Alex Wright-Gladstein MBA '15.

"In questo momento c'è un collo di bottiglia della larghezza di banda nei grandi data center, "dice Wright-Gladstein, che ha co-fondato Ayar con Chen Sun Ph.D. '15 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."

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

I chip potrebbero essere utilizzati anche nei supercomputer, Wright-Gladstein aggiunge, che hanno problemi di efficienza e limiti di velocità simili a quelli dei data center. Lungo la strada, la tecnologia potrebbe anche migliorare l'ottica in vari campi, dai veicoli autonomi e dai dispositivi medici alla realtà aumentata. "Siamo entusiasti non solo di ciò che questo può fare per i data center, ma quali nuove cose questo consentirà in futuro, " dice Wright-Gladstein.

Vedendo la luce

La tecnologia di base di Ayar, ora supportata da più di 25 documenti accademici, è in fase di realizzazione da un decennio. La collaborazione di ricerca è iniziata a metà degli anni 2000 presso il MIT come parte del progetto POEM (Photonically Optimized Embedded Microprocessors) della Defense Advanced Research Project Agency, guidato da Vladimir Stojanovic, ora professore associato di ingegneria elettrica e informatica presso l'Università della California a Berkeley, in collaborazione con Rajeev Ram, un professore di ingegneria elettrica del MIT e ricercatore principale per il gruppo di ottica ed elettronica fisica, e Milos Popovic, ora assistente professore di ingegneria elettrica e informatica alla Boston University.

L'idea era di aiutare la trasmissione dei dati a stare al passo con la legge di Moore. Il numero di transistor su un chip può raddoppiare ogni due anni, Wright-Gladstein dice, "ma la quantità di dati che trasmettiamo su quei pin di rame non è cresciuta allo stesso ritmo".

I chip per computer inviano dati tra chip con funzioni diverse, come chip logici e chip di memoria. Con le comunicazioni basate sul rame, però, i chip non possono inviare e ricevere dati sufficienti per sfruttare la loro crescente potenza di elaborazione. Questo ha causato un "collo di bottiglia, " dove i chip devono attendere lunghi periodi per inviare e ricevere dati. Più della metà delle volte nei data center, ad esempio, i circuiti sono in attesa che i dati vadano e vengano, Wright-Gladstein dice. "È un enorme spreco, " dice. "Usano quasi la stessa potenza al minimo di quando sono al lavoro".

Una soluzione è la luce. Un filo 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, perciò, 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 disperso, che danneggia l'efficienza nei singoli chip. Questo è un problema nei data center, dove i fili di rame corrono all'interno e tra i server.

Nel momento 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 a basso costo, chip ottici scalabili. La collaborazione, che poi includeva Sun e Wade, ha adottato un approccio diverso:hanno integrato componenti ottici su chip di silicio, che sono fabbricati utilizzando il tradizionale processo di produzione di semiconduttori CMOS che sforna chip per pochi centesimi. "Quella era un'idea radicale all'epoca, " dice Wright-Gladstein. "Il CMOS non si presta bene all'ottica, quindi i veterani del settore pensavano che avresti dovuto apportare grandi 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 fotorilevatori, modulatori di luce, guide d'onda, e filtri ottici che codificano i dati su diverse lunghezze d'onda della luce, e poi trasmetterlo e decodificarlo. Essenzialmente hanno "hackerato" il metodo tradizionale per la progettazione dei chip di silicio, utilizzando strati destinati all'elettronica per costruire dispositivi ottici, e consentire ai progetti di chip di includere ottiche più strettamente configurate che mai all'interno della struttura di un chip.

Nel 2015, i ricercatori, insieme al team di Krste Asanovic all'UC Berkeley ha realizzato il primo processore per comunicare usando la luce e ha pubblicato i risultati in Natura . Le patatine, prodotto in un impianto di fabbricazione GlobalFoundries, conteneva 850 componenti ottici e 70 milioni di transistor, e performanti così come i tradizionali chip prodotti nella stessa struttura.

Fare il grande passo

Dietro le quinte, Wright-Gladstein stava già pensando alla commercializzazione. L'anno prima della pubblicazione, si era iscritta alla MIT Sloan School of Management, specificamente per incontrare i ricercatori che si occupano di energia pulita. Prendendo 15.366 (Energy Ventures), che si concentra sulla commercializzazione delle tecnologie pulite del MIT, è stata scelta per selezionare le tecnologie da portare in classe. "Era la scusa perfetta per incontrare ogni ricercatore che si occupasse di ricerche legate all'energia, " dice Wright-Gladstein.

Dal vasto pool di 300 laboratori, si è imbattuta nei chip optoelettronici di Ram, che "mi hanno lasciato senza fiato, " afferma. L'industria energetica si è concentrata sulle innovazioni delle apparecchiature per risparmiare energia nei data center. "Ma non c'era molta attenzione sulla riduzione dell'energia attraverso l'elaborazione stessa, " Wright-Gladstein dice. "Sembrava un ottimo modo per avere un impatto".

Wright-Gladstein ha formato un team in classe per creare un business plan e un pitch deck. Ha anche collaborato frequentemente con Sun e Wade parlando con potenziali clienti del settore. Quando il MIT Clean Energy Prize è arrivato, i tre studenti sono entrati nella tecnologia sotto il nome, OptiBit e ha vinto entrambi i primi premi per $ 275, 000, consolidando la loro decisione di avviare una startup.

"Avere fondi in anticipo per pagarci stipendi bassi e avere un piccolo cuscino prima di raccogliere fondi di capitale di rischio ci ha davvero convinto tutti a fare il grande passo, " dice Wright-Gladstein.

Apertura negozio a San Francisco, la startup ha continuato la ricerca e lo sviluppo, aumentare la velocità dei dati di comunicazione della tecnologia. L'anno scorso, GLOBALFOUNDRIES si è interessata a queste costanti innovazioni e ha stretto una partnership con la startup, che includeva alcuni finanziamenti non divulgati. Quest'anno, I primi prototipi di Ayar dovrebbero raggiungere i data center statunitensi, con un rilascio commerciale pianificato per il 2019.

Risolvere il problema di input-output del chip è solo l'inizio. Ayar è anche entusiasta di ciò che la sua nuova tecnologia significa per il campo dell'ottica, Wright-Gladstein dice. Sensori ottici, ad esempio, sono utilizzati in veicoli a guida autonoma o semiautonoma e costose apparecchiature mediche. Abbassare i costi di produzione, aumentando la potenza di calcolo, di chip optoelettronici potrebbe rendere tali tecnologie molto meno costose e più accessibili.

"Stiamo iniziando a risolvere questo problema del collo di bottiglia nei tradizionali chip di silicio, ma alla fine siamo entusiasti di tutti i diversi posti in cui questa tecnologia andrà, " dice Wright-Gladstein. "Questo cambierà la disponibilità dell'ottica, e come il mondo può usare l'ottica, in modi al di là di quanto possiamo prevedere in questo momento."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.