إن استخدام الضوء لنقل البيانات بدلاً من الكهرباء ليس بالأمر الجديد وهو موجود منذ سنوات ، على الرغم من وجود أسواق محدودة للغاية. سنشرح في هذه المقالة ما يتكون منه تنفيذ الضوئيات في الأجهزة ، والأسواق التي يتم استخدامها فيها ومتى سنراها مطبقة في الأجهزة الكبيرة مثل الكمبيوتر.
لا يوجد في الكون ما هو أسرع من الضوء ، لذا فإن أفضل طريقة لنقل البيانات هي من خلال الضوء. لماذا لا نستخدم الفوتونات لصنع معالجات؟ حسنًا ، لأن تصنيعها أكثر تكلفة ولا تتناسب مع الحجم مثل السيليكون. ومع ذلك ، هناك الضوئيات المدمجة في السيليكون التي توحد العالمين. مع أي تطبيقات؟
ما هي الضوئيات في الأجهزة؟
الضوئيات في الأجهزة ليست أكثر من استخدام الفوتونات التي تشكل الضوء لنقل المعلومات. يوجد ضمن الضوئيات السليكونية الضوئية ، والتي تعتمد على استخدام السيليكون لنقل الإشارات الضوئية ، مما يسمح بتنفيذها في الدوائر المتكاملة.
لا يقتصر استخدامه على إنشاء معالجات أكثر قوة ، ولكن للتواصل بين الرقائق المختلفة وبالتالي في الواجهات الخارجية بين المعالجات والذكريات والأجهزة الطرفية. الهدف هو تقليل الفجوة في النطاق الترددي ، والسرعة التي يتم بها نقل البيانات ، بين المعالج والذاكرة.
يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن القيمة التي تسود عند نقل البيانات هي الطاقة التي تستهلكها. إن فكرة استخدام فوتونات السيليكون على وجه التحديد هي أن يكون لديك أيضًا واجهة تنقل البيانات بتكلفة أقل.
واجهات ذاكرة ضوئية
مع مرور الوقت ، تم تصميم أنواع جديدة من الذاكرة لنقل واستقبال البيانات بتكاليف طاقة أقل. إذا استخدمنا البيانات ، فسنرى كيف تطلبت أكثر أنواع الذاكرة كفاءة تقنيات تغليف جديدة. كما هو الحال مع ذاكرة HBM.
ليس هناك شك في أن النطاق الترددي يحتاج إلى الاستمرار في النمو ، خاصة في عصر البيانات الضخمة حيث المعلومات التي تتحرك هائلة. هذا يعني أننا بحاجة إلى مزيد من عرض النطاق الترددي الموفر للطاقة. على سبيل المثال ، في عالم أجهزة PostPC ، سنرى قريبًا واجهات على غرار HBM ، من ناحية أخرى ، في الطرف الآخر ، في عالم أجهزة الكمبيوتر العملاقة ، لا تعتبر فوتونات السيليكون بالفعل شيئًا من المستقبل ، ولكن من الحاضر .
على مستوى الاتصال الداخلي على شريحة ، لا تقدم أي ميزة من حيث الاستهلاك لنقل البيانات. عندما ننقل واجهة اتصال بعيدًا عن الأخرى عندما نرى أن كفاءة استخدام الواجهات القائمة على الضوئيات تبدأ في أن تكون منطقية بسبب انخفاض استهلاك النطاق الترددي ، مما يسمح بنقل البيانات لـ <1 ذروة جول لكل بتة مرسلة.
من ناحية أخرى ، يتدهور عرض النطاق الترددي في الواجهة التقليدية نظرًا لوجود مسافة أكبر من المعالج. هذا يعني أن الذكريات وراءها رامات في التسلسل الهرمي للذاكرة تستفيد أيضًا من هذه الأنواع من الواجهات. تخيل على سبيل المثال SSD مع سرعة قراءة نموذجية لذاكرة DDR4 RAM.
لا يوجد قانون مور لدبابيس الإدخال / الإخراج
يخبروننا باستمرار كيف يسمح قانون مور بصنع رقائق أصغر. حسنًا ، هذا صحيح باستثناء دبابيس الاتصال الخارجية لا تتقلص. بمعنى آخر ، تشغل الواجهات الخارجية دائمًا نفس الشيء ، مما يؤثر على حجم الشريحة إذا كنت تريد نطاقًا تردديًا معينًا أو تفرض استخدام أنظمة تغليف أكثر تعقيدًا تسمح بعدد أكبر من المسامير.
المفهوم سهل الفهم ، استهلاك الطاقة ينمو بشكل كبير إذا كانت سرعة الساعة عالية ، وسرعة الساعة العالية تعني الجهد العالي ، والنمو في استهلاك الطاقة مرتفع. الطريقة الوحيدة هي زيادة عدد المسامير ، لكن هذا يفرض على الإنشاءات المعقدة بناء جماعي مثل 2.5D و 3D ICs.
هذا هو المكان الذي تأتي فيه الضوئيات ، كحل لمشكلة واجهات الذاكرة وقياسها من أجل الحصول على نطاقات أعلى دون زيادة متوسط الاستهلاك في نقل البيانات.
أين تستخدم الضوئيات اليوم؟
اليوم ، يتم استخدام الضوئيات السيليكونية في مراكز البيانات لربط الأنظمة التي يتم فصلها على نطاق واسع.
من خلال أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية في كل نظام ، والتي يمكنها إرسال واستقبال الإشارات. وظيفتها بسيطة ، فهي تقوم بتحويل الإشارات الكهربائية إلى إشارات ضوئية تنتقل عبر كابلات الألياف الضوئية التي تربط الخزانات المختلفة التي تشكل مركز البيانات. عندما يستقبل جهاز الإرسال والاستقبال البيانات ، فإنه يحولها إلى إشارة كهربائية يمكن للمعالجات والذكريات التقليدية معالجتها وتخزينها على التوالي.
تتمتع أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية هذه بالقدرة على نقل واستقبال كمية كبيرة من البيانات. مشكلتها الرئيسية؟ إنها غالية الثمن في التصنيع بل وأكثر من ذلك على نطاق تجاري. هذا هو سبب وجودها في أجهزة الكمبيوتر العملاقة اليوم وليس في أجهزة الكمبيوتر في منازلنا.
التصوير الطبي للتشخيص سوق آخر حيث تستخدم فوتونات السيليكون. في الواقع ، يستخدم الضوء في التشخيص الطبي. خاصة في المجاهر وأجهزة الطيف. من خلال استخدام الضوء ، يمكن عد الخلايا وتصورها ، وتحديد تسلسل الحمض النووي. لذلك ، تسمح الفوتونات المدمجة في السيليكون بإنشاء دوائر متكاملة مصممة للتشخيص الطبي والتي لها في نفس الوقت القدرة على معالجة هذه البيانات بسرعة عالية.
مع وجود الضوئيات المدمجة في السيليكون ، سيتمكن الطبيب العادي من دراسة الأنسجة وعينة الدم وما إلى ذلك دون الحاجة إلى اختيار المختبرات ذات المعدات عالية التكلفة. حيث ستتيح هذه التقنية إنشاء مجاهر ذكية في السنوات التالية ، بمعالج متكامل قادر على الحصول على المعلومات من الصور ومعالجتها وإرسالها إلى جهاز كمبيوتر عبر واجهة USB إذا لزم الأمر.
هل سنراه على جهاز الكمبيوتر؟
إن دمج جهاز إرسال واستقبال بصري لاستبدال واجهة الذاكرة له مزايا من حيث الاستهلاك وعرض النطاق الترددي. العيب؟ نجدها في التكلفة عند تنفيذ هذه في المعالج.
حيث سنرى في المكثفات المسؤولة عن استقبال وتوزيع العديد من إشارات النطاق الترددي العالي في نفس الوقت. توجد هذه المكثفات في الجزء المركزي من نظام قائم على الشرائح حيث تكون المسافة بين الرقائق أكبر. باستخدام الواجهات الضوئية ، يمكن حل مشكلة الاستهلاك في الواجهات وتدهور عرض النطاق الترددي بسبب المسافة.
هذا مهم بشكل خاص في الأنظمة التي تتطلب عدة وحدات معالجة رسومات للتواصل على نطاق واسع. على الرغم من أننا سنرى في الوقت الحالي الانتقال إلى الواجهات الرأسية من النوع 2.5DIC و 3DIC كحلول قبل وصول الضوئيات على نطاق واسع.