Med nya optoelektroniska chips och ett nytt partnerskap med en topptillverkare av kiselchips, MIT spinout Ayar Labs syftar till att öka hastigheten och minska energiförbrukningen inom datorer, börjar med datacenter.

Uppbackad av år av forskning vid MIT och på andra håll, Ayar har utvecklat chips som flyttar runt data med ljus men beräknar elektroniskt. Den unika designen integrerar snabb, effektiv optisk kommunikation – med komponenter som överför data med hjälp av ljusvågor – till traditionella datorchips, ersätter mindre effektiva koppartrådar.

Enligt startupen, chipsen kan minska energianvändningen med cirka 95 procent i chip-till-chip-kommunikation och öka bandbredden tio gånger jämfört med sina kopparbaserade motsvarigheter. I massiva datacenter – Ayars första målapplikation – som drivs av teknikjättar som Facebook och Amazon, chipsen kan minska den totala energianvändningen med 30 till 50 procent, säger VD Alex Wright-Gladstein MBA '15.

"Just nu finns det en bandbreddsflaskhals i stora datacenter, " säger Wright-Gladstein, som grundade Ayar tillsammans med Chen Sun Ph.D. '15 och Mark Wade, en akademiker vid University of Colorado och tidigare MIT-forskare. "Det är en spännande applikation och det första stället som verkligen behöver den här tekniken."

I december, startupen skrev ett avtal med GlobalFoundries, en världsledande tillverkare av kiselchips, att ta med sin första produkt, ett optiskt in-utgångssystem som heter Brilliant, att marknadsföra nästa år.

Chipsen kan också användas i superdatorer, Wright-Gladstein tillägger, som har liknande effektivitetsproblem och hastighetsbegränsningar som datacenter har. Nerför gatan, Tekniken kan också förbättra optiken inom olika områden, från autonoma fordon och medicinsk utrustning till augmented reality. "Vi är glada över inte bara vad detta kan göra för datacenter, men vilka nya saker detta kommer att möjliggöra i framtiden, " säger Wright-Gladstein.

Att se ljuset

Ayars kärnteknologi – nu uppbackad av mer än 25 akademiska artiklar – är ett decennium på väg. Forskningssamarbetet började i mitten av 2000-talet vid MIT som en del av Defense Advanced Research Project Agencys Photonically Optimized Embedded Microprocessors (POEM) projekt, ledd av Vladimir Stojanovic, nu docent i elektroteknik och datavetenskap vid University of California i Berkeley, i samarbete med Rajeev Ram, en MIT-professor i elektroteknik och huvudutredare för Physical Optics and Electronics-gruppen, och Milos Popovic, nu biträdande professor i el- och datateknik vid Boston University.

Tanken var att hjälpa dataöverföring att hålla jämna steg med Moores lag. Antalet transistorer på ett chip kan fördubblas vartannat år, Wright-Gladstein säger, "men mängden data vi skickar över dessa kopparstift har inte växt i samma takt."

Datachips skickar data mellan chips med olika funktioner, såsom logikchips och minneschips. Med kopparbaserad kommunikation, dock, chipsen kan inte skicka och ta emot tillräckligt med data för att dra fördel av deras ökande processorkraft. Det har orsakat en "flaskhals, " där chips måste vänta länge för att skicka och ta emot data. Mer än hälften av tiden i datacenter, till exempel, kretsar väntar på att data ska komma och gå, säger Wright-Gladstein. "Det är ett stort slöseri, " säger hon. "De använder nästan lika mycket ström på tomgång som när de arbetar."

En lösning är ljus. En optisk tråd kan sända flera datasignaler på olika våglängder av ljus, medan koppartrådar är begränsade till en signal per tråd. Optiska chips kan, därför, överföra mer information med betydligt mindre utrymme. Dessutom, fotonik producerar mycket lite spillvärme. Data som passerar genom koppartråd genererar stora mängder spillvärme, vilket skadar effektiviteten i enskilda marker. Detta är ett problem i datacenter, där koppartrådar går inuti och mellan servrar.

Vid den tidpunkt då forskargrupperna i Ram, Stojanovic, och Popovic arbetade med POEM-projektet, stora företag som Intel och IBM försökte designa billiga, skalbara optiska chips. Samarbetet – som då inkluderade Sun och Wade – tog ett annat tillvägagångssätt:De integrerade optiska komponenter på silikonchips, som tillverkas med hjälp av den traditionella CMOS-halvledartillverkningsprocessen som tar ut chips för slantar. "Det var en radikal idé vid tidpunkten, " säger Wright-Gladstein. "CMOS lämpar sig inte väl för optik, så branschveteraner antog att du måste göra stora förändringar för att få det att fungera."

För att undvika att göra ändringar i CMOS-processen, forskarna fokuserade på en ny klass av miniatyriserade optiska komponenter, inklusive fotodetektorer, ljusmodulatorer, vågledare, och optiska filter som kodar data om olika våglängder av ljus, och sedan överföra och avkoda den. De "hackade" i huvudsak den traditionella metoden för design av kiselchips, använda lager avsedda för elektronik för att bygga optiska enheter, och gör det möjligt för chipdesigner att inkludera optik som är mer tätt konfigurerad än någonsin inuti ett chips struktur.

2015, forskarna, tillsammans med Krste Asanovics team vid UC Berkeley gjorde den första processorn att kommunicera med ljus och publicerade resultaten i Natur . Chipsen, tillverkad på en GlobalFoundries tillverkningsanläggning, innehöll 850 optiska komponenter och 70 miljoner transistorer, och utförs såväl som traditionella chips tillverkade på samma anläggning.

Tar steget

Bakom kulisserna, Wright-Gladstein tänkte redan på kommersialisering. Året före publiceringen, hon hade skrivit in sig på MIT Sloan School of Management, specifikt för att träffa forskare som tar itu med ren energi. Tar 15.366 (Energy Ventures), som fokuserar på att kommersialisera MIT rena teknologier, hon valdes ut för att välja de teknologier som skulle ta med sig in i klassrummet. "Det var den perfekta ursäkten för att träffa alla forskare som gör energirelaterad forskning, " säger Wright-Gladstein.

Från den stora poolen med 300 labb, hon stötte på Rams optoelektroniska chip - som "blåste bort mig, " säger hon. Energibranschen var fokuserad på utrustningsinnovationer för att spara energi i datacenter. "Men det var inte mycket fokus på att minska energin genom själva datoranvändningen, " säger Wright-Gladstein. "Det verkade som ett bra sätt att påverka."

Wright-Gladstein bildade ett team i klassen för att skapa en affärsplan och pitcha deck. Hon samarbetade också ofta med Sun och Wade för att prata med potentiella industrikunder. När MIT Clean Energy Prize rullade runt, de tre eleverna skrev in tekniken under namnet, OptiBit—och vann båda stora priserna för $275, 000, befästa sitt beslut att starta ett företag.

"Att ha pengar tidigt för att betala oss själva låga löner och ha en liten kudde innan vi skaffar riskkapitalfonder övertalade verkligen oss alla att ta steget, " säger Wright-Gladstein.

Inrättar butik i San Francisco, uppstarten fortsatte forskning och utveckling, öka kommunikationsdatahastigheterna för tekniken. Förra året, GlobalFoundries intresserade sig för dessa ständiga innovationer och inledde ett partnerskap med startupen, som inkluderade en del hemlig finansiering. Det här året, Ayars första prototyper bör nå amerikanska datacenter, med en planerad kommersiell release 2019.

Att lösa problemet med chip input-output är bara början. Ayar är också exalterade över vad dess nya teknologi betyder för optikområdet, säger Wright-Gladstein. Optiska sensorer, till exempel, används i självkörande eller halvautonoma fordon och dyr medicinsk utrustning. Sänka tillverkningskostnaderna, samtidigt som man ökar beräkningskraften, av optoelektroniska chips skulle kunna göra dessa tekniker mycket billigare och mer tillgängliga.

"Vi börjar lösa detta flaskhalsproblem i traditionella kiselchips, men i slutändan är vi exalterade över alla de olika platser som den här tekniken kommer att gå till, " säger Wright-Gladstein. "Det här kommer att förändra tillgängligheten för optik, och hur världen kan använda optik, på sätt utöver vad vi kan förutse just nu."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.