Valon käyttö tiedonsiirtoon sähkön sijasta ei ole uusi asia, ja se on ollut käytössä jo vuosia, vaikkakin hyvin rajallisilla markkinoilla. Tässä artikkelissa selitämme, mistä fotoniikan toteutus laitteistossa koostuu, millä markkinoilla sitä käytetään ja milloin näemme sen toteutuneen massalaitteissa, kuten tietokoneessa.
Maailmankaikkeudessa ei ole mitään valoa nopeammin, joten paras tapa siirtää dataa on valon kautta. Miksi emme käytä fotoneja prosessoreiden valmistamiseen? No, koska se on kalliimpaa valmistaa ja ne eivät ole mittakaavassa kooltaan kuten pii. Piin sisään on kuitenkin integroitu fotoniikka, joka yhdistää nämä kaksi maailmaa. Millä sovelluksilla?
Mitä fotoniikka on laitteistossa?
Laitteistossa oleva fotoniikka ei ole muuta kuin valojen muodostavien fotonien käyttö tiedonsiirtoon. Fotoniikan sisällä on piifotoniikkaa, joka perustuu piin käyttöön optisten signaalien siirtämisessä, mikä mahdollistaa sen toteuttamisen integroiduissa piireissä.
Sen käyttö ei ole tehokkaampien prosessorien luominen, vaan viestintä eri sirujen välillä ja siten prosessorien, muistien ja oheislaitteiden välisissä rajapinnoissa. Tavoitteena on vähentää kaistanleveyden, tiedonsiirtonopeuden, kuilua prosessorin ja muistin välillä.
On otettava huomioon, että tiedonsiirrossa hallitseva arvo on niiden kuluttama energia. Piin fotoniikan käytön ideana on myös rajapinta, joka siirtää dataa edullisemmin.
Valopohjaiset muistiliitännät
Ajan myötä uudentyyppiset muistit on suunniteltu lähettämään ja vastaanottamaan dataa pienemmillä energiakustannuksilla. Jos käytämme tietoja, näemme, kuinka tehokkaimmat muistityypit ovat vaatineet uusia pakkaustekniikoita. Kuten HBM-muistin tapauksessa.
Ei ole epäilystäkään siitä, että kaistanleveyden tarve kasvaa edelleen, varsinkin Big Datan aikakaudella, jolloin liikkuva tieto on valtavaa. Tämä tarkoittaa, että tarvitsemme energiatehokkaampia kaistanleveyksiä. Esimerkiksi PostPC-laitteiden maailmassa näemme pian HBM-tyyppisiä rajapintoja, toisaalta toisaalta supertietokoneiden maailmassa piifotoniikkaa ei pidetä jo tulevaisuuden vaan nykyisyyden .
Piirin sisäisen viestinnän tasolla se ei tarjoa mitään etua tiedonsiirron kulutuksessa. Silloin kun siirrämme tietoliikenneliitännän pois toisesta, kun näemme, että fotoniikkaan perustuvien rajapintojen käytön tehokkuus alkaa olla järkevää pienemmän kaistanleveyden kulutuksen ansiosta, mikä sallii tiedonsiirron <1 Joule-huipulle lähetettyä bittiä kohti.
Toisaalta kaistanleveys heikkenee tavanomaisessa rajapinnassa, kun prosessorista on enemmän etäisyyttä. Tämä tarkoittaa sitä, että muistoja sen ulkopuolella RAM muistihierarkiassa hyötyvät myös tämän tyyppisistä rajapinnoista. Kuvittele esimerkiksi SSD DDR4-muistille tyypillisellä lukunopeudella.
I / O-nastoille ei ole Mooren lakia
He kertovat jatkuvasti, kuinka Mooren laki sallii pienempien pelimerkkien valmistamisen. No, se on totta, paitsi että ulkoisen viestinnän nastat eivät pienene. Toisin sanoen ulkoisissa rajapinnoissa on aina sama asia, mikä vaikuttaa sirun kokoon, jos haluat tietyn kaistanleveyden, tai pakotetaan käyttämään monimutkaisempia pakkausjärjestelmiä, jotka mahdollistavat suuremman määrän nastoja.
Käsite on helppo ymmärtää, virrankulutus kasvaa eksponentiaalisesti, jos kellonopeus on korkea, korkea kellonopeus tarkoittaa suurta jännitettä ja virrankulutuksen kasvu on nopeaa. Ainoa tapa on lisätä nastojen määrää, mutta se pakottaa monimutkaiset rakenteet massarakenteeseen, kuten 2.5D- ja 3D-IC: t.
Tällöin fotoniikka tulee ratkaisuksi muistiliitäntöjen ja niiden skaalautumisen ongelmaan, jotta saadaan suurempi kaistanleveys lisäämättä tiedonsiirron keskimääräistä kulutusta.
Missä fotoniikkaa käytetään tänään?
Piin fotoniikkaa käytetään nykyään datakeskuksissa laajasti erotettujen järjestelmien yhdistämiseen.
Kunkin järjestelmän optisten lähetin-vastaanottimien kautta, jotka voivat lähettää ja vastaanottaa signaaleja. Niiden toiminta on yksinkertainen, ne muuttavat sähköiset signaalit optisiksi signaaleiksi, jotka kulkevat datakeskuksen muodostavien eri kaappien yhdistävien valokaapeleiden läpi. Kun lähetin-vastaanotin vastaanottaa dataa, se muuntaa sen sähköiseksi signaaliksi, jonka tavanomaiset prosessorit ja muistit voivat käsitellä ja tallentaa vastaavasti.
Tällaisilla optisilla lähetin-vastaanottimilla on kyky lähettää ja vastaanottaa suuri määrä dataa. Sen suurin ongelma? Niiden valmistaminen on kallista ja vielä enemmän kaupallisessa mittakaavassa. Siksi niitä on tänään supertietokoneissa eikä kotona olevissa tietokoneissa.
Toinen piin fotoniikan markkina on diagnostiikan lääketieteellinen kuvantaminen. Itse asiassa valoa käytetään lääketieteellisessä diagnoosissa. Varsinkin mikroskoopeissa ja spektroskoopeissa. Valon avulla solut voidaan laskea ja visualisoida, määrittää DNA-sekvenssi. Siksi piiin integroitu fotoniikka mahdollistaa sellaisten integroitujen piirien luomisen, jotka on suunniteltu lääketieteelliseen diagnoosiin ja joilla on samalla kyky käsitellä näitä tietoja suurella nopeudella.
Piin sisäänrakennetun fotoniikan ansiosta tavallinen lääkäri voi tutkia kudosta, verinäytettä jne. Ilman, että hänen tarvitsee valita laboratorioita, joissa on korkeat kustannukset. Koska tämä tekniikka mahdollistaa älykkäiden mikroskooppien luomisen seuraavina vuosina, integroidulla prosessorilla, joka pystyy hankkimaan tietoja kuvista, käsittelemään niitä ja lähettämään niitä tietokoneelle tarvittaessa USB-liitännän kautta.
Näemmekö sen PC: llä?
Optisen lähetin-vastaanottimen integroinnilla muistiliitännän korvaamiseen on etuja kulutuksen ja kaistanleveyden kannalta. Haitta? Löydämme sen kustannuksista, kun toteutamme nämä prosessorissa.
Kohde on keskittimissä, jotka vastaavat useiden suuren kaistanleveyden signaalien vastaanottamisesta ja jakamisesta samanaikaisesti. Nämä rikastimet sijaitsevat sirupohjaisen järjestelmän keskiosassa, jossa sirujen välinen etäisyys on suurin. Optisten rajapintojen avulla on mahdollista ratkaista rajapintojen kulutusongelma ja etäisyydestä johtuva kaistanleveyden heikkeneminen.
Tämä on erityisen tärkeää järjestelmissä, jotka vaativat useita GPU: ita kommunikoimaan laajamittaisesti. Vaikka tällä hetkellä näemme ensin siirtymisen vertikaalisiin rajapintoihin, tyypit 2.5DIC ja 3DIC, ratkaisuina ennen suuren mittakaavan fotoniikan saapumista.
