Die Verwendung von Licht zur Datenübertragung anstelle von Elektrizität ist nicht neu und gibt es schon seit Jahren, wenn auch in sehr begrenzten Märkten. In diesem Artikel werden wir erklären, woraus die Implementierung von Photonik in Hardware besteht, in welchen Märkten sie verwendet wird und wann sie in Massengeräten wie dem PC implementiert wird.
Im Universum gibt es nichts Schnelleres als Licht. Der beste Weg, Daten zu übertragen, ist Licht. Warum verwenden wir keine Photonen, um Prozessoren herzustellen? Nun, weil die Herstellung teurer ist und sie nicht wie Silizium skaliert werden können. Es gibt jedoch die im Silizium integrierte Photonik, die die beiden Welten verbindet. Mit welchen Anwendungen?
Was ist Photonik in Hardware?
Photonik in Hardware ist nichts anderes als die Verwendung von Photonen, die Licht für die Übertragung von Informationen bilden. Innerhalb der Photonik gibt es die Siliziumphotonik, die auf der Verwendung von Silizium zur Übertragung optischer Signale basiert und dessen Implementierung in integrierten Schaltkreisen ermöglicht.
Seine Verwendung besteht nicht darin, leistungsfähigere Prozessoren zu erstellen, sondern für die Kommunikation zwischen verschiedenen Chips und damit in den externen Schnittstellen zwischen Prozessoren, Speichern und Peripheriegeräten. Ziel ist es, die Lücke in der Bandbreite, die Geschwindigkeit, mit der Daten übertragen werden, zwischen Prozessor und Speicher zu verringern.
Es muss berücksichtigt werden, dass der Wert, der bei der Datenübertragung dominiert, die Energie ist, die sie verbrauchen. Gerade die Idee der Verwendung von Siliziumphotonik besteht darin, eine Schnittstelle zu haben, die Daten zu geringeren Kosten überträgt.
Lichtbasierte Speicherschnittstellen
Mit der Zeit werden neue Speichertypen entwickelt, um Daten zu geringeren Energiekosten zu senden und zu empfangen. Wenn wir die Daten verwenden, werden wir sehen, wie die effizientesten Speichertypen neue Verpackungstechniken erforderlich gemacht haben. Wie beim HBM-Speicher.
Es besteht kein Zweifel, dass der Bandbreitenbedarf weiter wächst, insbesondere in Zeiten von Big Data, in denen die Informationen, die sich bewegen, enorm sind. Dies bedeutet, dass wir energieeffizientere Bandbreiten benötigen. In der Welt der PostPC-Geräte werden wir zum Beispiel bald Schnittstellen im HBM-Stil sehen, andererseits wird die Siliziumphotonik in der Welt der Supercomputer bereits nicht als etwas der Zukunft, sondern der Gegenwart betrachtet .
Auf der Ebene der internen Kommunikation auf einem Chip bietet es keinen Vorteil hinsichtlich des Verbrauchs für die Datenübertragung. Wenn wir eine Kommunikationsschnittstelle von einer anderen entfernen, sehen wir, dass die Effizienz der Verwendung von Schnittstellen auf der Basis von Photonik aufgrund des geringeren Bandbreitenverbrauchs sinnvoll wird und eine Datenübertragung für <1 Joule-Spitze pro übertragenem Bit ermöglicht.
Andererseits verschlechtert sich die Bandbreite in einer herkömmlichen Schnittstelle, da mehr Abstand zum Prozessor besteht. Dies bedeutet, dass Erinnerungen darüber hinaus RAM in der Speicherhierarchie profitieren auch diese Arten von Schnittstellen. Stellen Sie sich zum Beispiel eine vor SSD mit einer für einen DDR4-RAM typischen Lesegeschwindigkeit.
Es gibt kein Moore'sches Gesetz für E / A-Pins
Sie erzählen uns ständig, wie das Mooresche Gesetz die Herstellung kleinerer Chips ermöglicht. Nun, das stimmt, außer dass die externen Kommunikationsstifte nicht verkleinert werden. Mit anderen Worten, die externen Schnittstellen belegen immer das Gleiche und wirken sich dadurch auf die Größe eines Chips aus, wenn Sie eine bestimmte Bandbreite wünschen oder die Verwendung komplexerer Verpackungssysteme erzwingen, die eine größere Anzahl von Pins zulassen.
Das Konzept ist leicht zu verstehen, der Stromverbrauch steigt exponentiell, wenn die Taktrate hoch ist, eine hohe Taktrate bedeutet hohe Spannung und der Anstieg des Stromverbrauchs ist hoch. Die einzige Möglichkeit besteht darin, die Anzahl der Pins zu erhöhen. Dies zwingt jedoch komplexe Konstruktionen zum Massenaufbau, z. B. 2.5D- und 3D-ICs.
Hier kommt die Photonik als Lösung für das Problem der Speicherschnittstellen und ihrer Skalierung ins Spiel, um höhere Bandbreiten zu erzielen, ohne den durchschnittlichen Verbrauch bei der Datenübertragung zu erhöhen.
Wo wird heute Photonik eingesetzt?
Heutzutage wird Siliziumphotonik in Rechenzentren verwendet, um Systeme zu verbinden, die weit voneinander entfernt sind.
Durch optische Transceiver in jedem System, die Signale senden und empfangen können. Ihre Funktion ist einfach: Sie wandeln elektrische Signale in optische Signale um, die durch die Glasfaserkabel verlaufen, die die verschiedenen Schränke des Rechenzentrums verbinden. Wenn der Transceiver die Daten empfängt, wandelt er sie in ein elektrisches Signal um, das herkömmliche Prozessoren und Speicher verarbeiten und speichern können.
Solche optischen Transceiver können ein großes Datenvolumen senden und empfangen. Sein Hauptproblem? Sie sind teuer in der Herstellung und vor allem im kommerziellen Maßstab. Deshalb haben wir sie heute in Supercomputern und nicht in PCs in unseren Häusern.
Ein weiterer Markt, auf dem Siliziumphotonik eingesetzt wird, ist die medizinische Bildgebung für die Diagnostik. Tatsächlich wird Licht in der medizinischen Diagnose verwendet. Besonders in Mikroskopen und Spektroskopen. Durch die Verwendung von Licht können Zellen gezählt und sichtbar gemacht werden, wobei eine DNA-Sequenz bestimmt wird. Die im Silizium integrierte Photonik ermöglicht daher die Schaffung integrierter Schaltkreise für die medizinische Diagnose, die gleichzeitig die Möglichkeit haben, diese Daten mit hoher Geschwindigkeit zu verarbeiten.
Mit der in das Silizium eingebauten Photonik kann ein gewöhnlicher Arzt ein Gewebe, eine Blutprobe usw. untersuchen, ohne sich für Labore mit kostenintensiven Geräten entscheiden zu müssen. Da diese Technologie in den folgenden Jahren die Entwicklung intelligenter Mikroskope ermöglichen wird, kann ein integrierter Prozessor Informationen aus den Bildern abrufen, verarbeiten und bei Bedarf über eine USB-Schnittstelle an einen PC senden.
Werden wir es auf dem PC sehen?
Die Integration eines optischen Transceivers als Ersatz für die Speicherschnittstelle bietet Vorteile hinsichtlich Verbrauch und Bandbreite. Der Nachteil? Wir finden es in den Kosten, wenn wir diese in einem Prozessor implementieren.
Was wir sehen werden, sind Konzentratoren, die für den gleichzeitigen Empfang und die Verteilung mehrerer Signale mit hoher Bandbreite zuständig sind. Diese Konzentratoren befinden sich im zentralen Teil eines auf Chiplets basierenden Systems, wo der Abstand zwischen den Chips am größten ist. Durch die Verwendung optischer Schnittstellen ist es möglich, das Problem des Verbrauchs in den Schnittstellen und der Verschlechterung der Bandbreite aufgrund der Entfernung zu lösen.
Dies ist besonders wichtig in Systemen, in denen mehrere GPUs für die Kommunikation in großem Maßstab erforderlich sind. Im Moment werden wir jedoch zunächst die Umstellung auf vertikale Schnittstellen vom Typ 2.5DIC und 3DIC als Lösungen sehen, bevor die Photonik im großen Maßstab eintrifft.
