Come viene utilizzata la fotonica nei circuiti ottici e nelle interfacce nei PC

Come viene utilizzata la fotonica nei circuiti ottici e nelle interfacce nei PC

L'uso della luce per trasmettere dati al posto dell'elettricità non è nuovo ed è in circolazione da anni, anche se in mercati molto limitati. In questo articolo spiegheremo in cosa consiste l'implementazione della fotonica in hardware, in quali mercati viene utilizzata e quando la vedremo implementata in dispositivi di massa come il PC.

Nell'universo non c'è niente più veloce della luce, quindi il modo migliore per trasmettere i dati è attraverso la luce. Perché non usiamo i fotoni per creare processori? Bene, perché è più costoso da produrre e non si ridimensionano in termini di dimensioni come il silicio. Tuttavia, c'è la fotonica integrata nel silicio che unisce i due mondi. Con quali applicazioni?

Cos'è la fotonica nell'hardware?

ricetrasmettitore fotónica

La fotonica nell'hardware non è altro che l'uso di fotoni che costituiscono la luce per la trasmissione delle informazioni. All'interno della fotonica c'è la fotonica del silicio, che si basa sull'utilizzo del silicio per la trasmissione dei segnali ottici, che ne consente l'implementazione nei circuiti integrati.

Il suo utilizzo non è per creare processori più potenti, ma per la comunicazione tra diversi chip e quindi nelle interfacce esterne tra processori, memorie e periferiche. L'obiettivo è ridurre il divario nella larghezza di banda, la velocità di trasmissione dei dati, tra il processore e la memoria.

Va tenuto presente che il valore che domina quando si trasmettono i dati è l'energia che consumano. Proprio l'idea di utilizzare la fotonica del silicio è quella di avere anche un'interfaccia che trasmetta i dati a un costo inferiore.

Interfacce di memoria basate sulla luce

pj bit di RAM

Con il passare del tempo, nuovi tipi di memoria sono progettati per trasmettere e ricevere dati a costi energetici inferiori. Se usiamo i dati vedremo come i tipi di memoria più efficienti hanno richiesto nuove tecniche di pacchettizzazione. Come nel caso della memoria HBM.

Non c'è dubbio che le esigenze di larghezza di banda continuino a crescere, soprattutto nell'era dei Big Data dove le informazioni che si muovono sono enormi. Ciò significa che abbiamo bisogno di larghezze di banda più efficienti dal punto di vista energetico. Ad esempio, nel mondo dei dispositivi PostPC vedremo presto interfacce in stile HBM, d'altra parte, all'estremo opposto, nel mondo dei supercomputer, la fotonica del silicio è già considerata non come qualcosa del futuro, ma del presente .

fotónica consumo energia

A livello di comunicazione interna su chip, non offre alcun vantaggio in termini di consumo per la trasmissione dei dati. È quando spostiamo un'interfaccia di comunicazione da un'altra quando vediamo che l'efficienza dell'uso di interfacce basate sulla fotonica inizia ad avere senso a causa del minor consumo di larghezza di banda, consentendo il trasferimento di dati per <1 Joule di picco per bit trasmesso.

fotonica

D'altra parte, la larghezza di banda si degrada in un'interfaccia convenzionale in quanto vi è maggiore distanza dal processore. Ciò significa che i ricordi oltre RAM anche nella gerarchia della memoria beneficiano di questi tipi di interfacce. Immagina ad esempio un file SSD con una velocità di lettura tipica di una RAM DDR4.

Non esiste la legge di Moore per i pin I / O

CPU dei pini

Ci raccontano continuamente come la Legge di Moore consente di produrre chip più piccoli. Bene, questo è vero tranne che i pin di comunicazione esterna non si riducono. In altre parole, le interfacce esterne occupano sempre la stessa cosa, influenzando così la dimensione di un chip se si desidera una larghezza di banda specifica o costringendo l'uso di sistemi di confezionamento più complessi che consentono un numero maggiore di pin.

Il concetto è facile da capire, il consumo di energia cresce in modo esponenziale se la velocità di clock è elevata, una velocità di clock elevata significa alta tensione e la crescita del consumo di energia è elevata. L'unico modo è aumentare il numero di pin, ma ciò costringe le costruzioni complesse a costruire in massa come i circuiti integrati 2.5D e 3D.

È qui che entra in gioco la fotonica, come soluzione al problema delle interfacce di memoria e del loro ridimensionamento al fine di ottenere larghezze di banda maggiori senza aumentare il consumo medio nel trasferimento dei dati.

Dove viene utilizzata oggi la fotonica?

Banca dati

Oggi, la fotonica del silicio viene utilizzata nei data center per collegare sistemi ampiamente separati.

Attraverso ricetrasmettitori ottici in ogni sistema, che possono trasmettere e ricevere segnali. La loro funzione è semplice, convertono i segnali elettrici in segnali ottici che viaggiano attraverso i cavi in ​​fibra ottica che collegano i diversi cabinet che compongono il data center. Quando il ricetrasmettitore riceve i dati, li converte in un segnale elettrico che i processori e le memorie convenzionali possono rispettivamente elaborare e memorizzare.

Tali ricetrasmettitori ottici hanno la capacità di trasmettere e ricevere un grande volume di dati. Il suo problema principale? Sono costosi da produrre e ancora di più su scala commerciale. Ecco perché oggi li abbiamo nei supercomputer e non nei PC delle nostre case.

attrezzatura fotografica medica

Un altro mercato in cui viene utilizzata la fotonica del silicio è l'imaging medico per la diagnostica. In effetti, la luce viene utilizzata nella diagnosi medica. Soprattutto in microscopi e spettroscopi. Attraverso l'uso della luce, le cellule possono essere contate e visualizzate, determinando una sequenza di DNA. Pertanto, la fotonica integrata nel silicio consente la creazione di circuiti integrati progettati per la diagnosi medica che allo stesso tempo hanno la capacità di elaborare questi dati ad alta velocità.

Con la fotonica incorporata nel silicio, un normale medico potrà studiare un tessuto, un campione di sangue, ecc. Senza dover optare per laboratori con apparecchiature ad alto costo. Poiché questa tecnologia consentirà negli anni successivi la realizzazione di microscopi intelligenti, con un processore integrato in grado di ricavare informazioni dalle immagini, elaborarle ed eventualmente inviarle a PC tramite interfaccia USB.

Lo vedremo sul PC?

fotonica

L'integrazione di un ricetrasmettitore ottico per sostituire l'interfaccia di memoria presenta vantaggi in termini di consumo e larghezza di banda. Lo svantaggio? Lo troviamo nel costo quando si implementano questi in un processore.

Quello che vedremo è nei concentratori incaricati di ricevere e distribuire più segnali ad alta larghezza di banda contemporaneamente. Questi concentratori si trovano nella parte centrale di un sistema basato su chiplet dove la distanza tra i chip è maggiore. Con l'utilizzo di interfacce ottiche è possibile risolvere il problema del consumo nelle interfacce e del degrado della banda dovuto alla distanza.

Ciò è particolarmente importante nei sistemi che richiedono più GPU per comunicare su larga scala. Sebbene per il momento vedremo prima il passaggio alle interfacce verticali di tipo 2.5DIC e 3DIC come soluzioni prima dell'arrivo della fotonica su larga scala.