Brug af lys til transmission af data i stedet for elektricitet er ikke nyt og har eksisteret i årevis, selv om det er på meget begrænsede markeder. I denne artikel vil vi forklare, hvad implementeringen af fotonik i hardware består af, på hvilke markeder det bruges, og hvornår vi vil se det implementeret i masseapparater såsom pc'en.
I universet er der intet hurtigere end lys, så den bedste måde at transmittere data er gennem lys. Hvorfor bruger vi ikke fotoner til at fremstille processorer? Nå, fordi det er dyrere at fremstille, og de skaleres ikke med hensyn til størrelse som silicium. Der er imidlertid fotonikken integreret i silicium, der forener de to verdener. Med hvilke applikationer?
Hvad er fotonik i hardware?
Fotonik i hardware er intet andet end brugen af fotoner, der udgør lys til transmission af information. Inden for fotonik er der siliciumfotonik, som er baseret på brugen af silicium til transmission af optiske signaler, hvilket muliggør implementering i integrerede kredsløb.
Dens anvendelse er ikke at skabe mere kraftfulde processorer, men til kommunikation mellem forskellige chips og derfor i de eksterne grænseflader mellem processorer, hukommelser og perifert udstyr. Målet er at reducere afstanden i båndbredde, den hastighed, hvormed data transmitteres, mellem processoren og hukommelsen.
Det skal tages i betragtning, at den værdi, der dominerer ved transmission af data, er den energi, de bruger. Netop ideen om at bruge silicium fotonik er også at have en grænseflade, der transmitterer data til en lavere pris.
Lysbaserede hukommelsesgrænseflader
Som tiden går, er nye typer hukommelse designet til at transmittere og modtage data til lavere energiomkostninger. Hvis vi bruger dataene, ser vi, hvordan de mest effektive typer hukommelse har krævet nye emballageteknikker. Som det er tilfældet med HBM-hukommelsen.
Der er ingen tvivl om, at båndbredden skal fortsætte med at vokse, især i Big Data-æraen, hvor den information, der bevæger sig, er enorm. Det betyder, at vi har brug for mere energieffektive båndbredder. For eksempel i en verden af PostPC-enheder vil vi snart se HBM-stil-grænseflader, på den anden side på den anden ekstreme side i supercomputere betragtes siliciumfotonik allerede ikke som noget af fremtiden, men af nutiden .
På niveauet for intern kommunikation på en chip tilbyder den ikke nogen fordel med hensyn til forbrug til datatransmission. Det er når vi flytter en kommunikationsgrænseflade væk fra en anden, når vi ser, at effektiviteten af brugen af grænseflader baseret på fotonik begynder at give mening på grund af det lavere forbrug af båndbredde, hvilket muliggør dataoverførsel for <1 peak Joule pr. Transmitteret bit.
På den anden side nedbrydes båndbredden i en konventionel grænseflade, da der er mere afstand fra processoren. Dette betyder, at minder ud over RAM i hukommelseshierarkiet drager også fordel af denne type grænseflader. Forestil dig for eksempel en SSD med en læsehastighed, der er typisk for et DDR4 RAM.
Der er ingen Moores lov for I / O-ben
De fortæller os hele tiden om, hvordan Moores lov tillader, at der laves mindre chips. Nå, det er sandt, medmindre de eksterne kommunikationsstifter ikke skaleres ned. Med andre ord optager de eksterne grænseflader altid den samme ting, hvilket påvirker størrelsen på en chip, hvis du vil have en bestemt båndbredde eller tvinger brugen af mere komplekse emballagesystemer, der tillader et større antal ben.
Konceptet er let at forstå, strømforbruget vokser eksponentielt, hvis klokkehastigheden er høj, en høj klokkehastighed betyder høj spænding, og væksten i strømforbrug er høj. Den eneste måde er at øge antallet af stifter, men det tvinger komplekse konstruktioner til massebygning såsom 2.5D og 3D IC'er.
Det er her, fotonik kommer ind som en løsning på problemet med hukommelsesgrænseflader og deres skalering for at opnå højere båndbredder uden at øge det gennemsnitlige forbrug i dataoverførsel.
Hvor anvendes fotonik i dag?
I dag bruges silicium fotonik i datacentre til at forbinde systemer, der er vidt adskilt.
Via optiske transceivere i hvert system, som kan sende og modtage signaler. Deres funktion er enkel, de konverterer elektriske signaler til optiske signaler, der bevæger sig gennem de fiberoptiske kabler, der forbinder de forskellige skabe, der udgør datacentret. Når transceiveren modtager dataene, konverterer den det til et elektrisk signal, som konventionelle processorer og hukommelser kan behandle og lagre henholdsvis.
Sådanne optiske transceivere har evnen til at transmittere og modtage et stort datamængde. Dets største problem? De er dyre at fremstille og endnu mere i kommerciel skala. Derfor har vi dem i supercomputere i dag og ikke i pc'er i vores hjem.
Et andet marked, hvor siliciumfotonik anvendes, er medicinsk billeddannelse til diagnostik. Faktisk bruges lys til medicinsk diagnose. Især i mikroskoper og spektroskoper. Ved hjælp af lys kan celler tælles og visualiseres, en DNA-sekvens bestemmes. Derfor tillader fotonik integreret i silicium oprettelsen af integrerede kredsløb designet til medicinsk diagnose, der samtidig har evnen til at behandle disse data med høj hastighed.
Med fotonikken indbygget i silicium vil en almindelig læge være i stand til at studere et væv, en blodprøve osv. Uden at skulle vælge laboratorier med højt udstyr. Da denne teknologi muliggør oprettelse af intelligente mikroskoper i de følgende år med en integreret processor, der er i stand til at få information fra billederne, behandle den og sende den til en pc via et USB-interface, hvis det er nødvendigt.
Skal vi se det på pc'en?
Integration af en optisk transceiver til erstatning af hukommelsesgrænsefladen har fordele med hensyn til forbrug og båndbredde. Ulempen? Vi finder det i omkostningerne ved implementering af disse i en processor.
Hvor vi skal se, er koncentratorer, der har ansvaret for at modtage og distribuere flere signaler med høj båndbredde på samme tid. Disse koncentratorer er placeret i den centrale del af et chipletbaseret system, hvor afstanden mellem chipsene er størst. Ved brug af optiske grænseflader er det muligt at løse problemet med forbrug i grænsefladerne og nedbrydning af båndbredde på grund af afstand.
Dette er især vigtigt i systemer, der kræver flere GPU'er til at kommunikere i stor skala. Selvom vi for øjeblikket først vil se overgangen til lodrette grænseflader type 2.5DIC og 3DIC som løsninger inden ankomsten af stor fotonik.
