Het gebruik van licht om data te verzenden in plaats van elektriciteit is niet nieuw en bestaat al jaren, zij het in zeer beperkte markten. In dit artikel zullen we uitleggen waar de implementatie van fotonica in hardware uit bestaat, in welke markten het wordt gebruikt en wanneer we het zullen zien geïmplementeerd in massa-apparaten zoals de pc.
In het universum is er niets sneller dan licht, dus de beste manier om gegevens te verzenden is door middel van licht. Waarom gebruiken we geen fotonen om processors te maken? Nou, omdat het duurder is om te produceren en ze niet schaalbaar zijn in termen van grootte zoals silicium. Er is echter de fotonica geïntegreerd in het silicium dat de twee werelden verenigt. Met welke toepassingen?
Wat is fotonica in hardware?
Fotonica in hardware is niets meer dan het gebruik van fotonen waaruit licht bestaat voor de overdracht van informatie. Binnen fotonica is er siliciumfotonica, dat gebaseerd is op het gebruik van silicium voor de transmissie van optische signalen, wat implementatie in geïntegreerde schakelingen mogelijk maakt.
Het gebruik ervan is niet om krachtigere processors te creëren, maar voor communicatie tussen verschillende chips en dus in de externe interfaces tussen processors, geheugens en randapparatuur. Het doel is om de kloof in bandbreedte, de snelheid waarmee gegevens worden verzonden, tussen de processor en het geheugen te verkleinen.
Houd er rekening mee dat de waarde die domineert bij het verzenden van gegevens de energie is die ze verbruiken. Juist het idee om siliciumfotonica te gebruiken, is om ook een interface te hebben die gegevens tegen lagere kosten verzendt.
Op licht gebaseerde geheugeninterfaces
Naarmate de tijd verstrijkt, worden nieuwe soorten geheugen ontworpen om gegevens tegen lagere energiekosten te verzenden en te ontvangen. Als we de gegevens gebruiken, zullen we zien hoe de meest efficiënte geheugensoorten nieuwe verpakkingstechnieken vereisen. Zoals het geval is met het HBM-geheugen.
Het lijdt geen twijfel dat de bandbreedte moet blijven groeien, vooral in het tijdperk van Big Data, waar de informatie die beweegt enorm is. Dit betekent dat we meer energie-efficiënte bandbreedtes nodig hebben. In de wereld van PostPC-apparaten zullen we bijvoorbeeld binnenkort HBM-achtige interfaces zien, aan de andere kant, aan de andere kant, in de wereld van supercomputers, wordt siliciumfotonica al niet beschouwd als iets van de toekomst, maar van het heden. .
Op het niveau van interne communicatie op een chip biedt het geen enkel voordeel in termen van verbruik voor datatransmissie. Wanneer we de ene communicatie-interface van de andere af verplaatsen, zien we dat de efficiëntie van het gebruik van interfaces op basis van fotonica zinvol begint te worden vanwege het lagere verbruik van bandbreedte, waardoor gegevensoverdracht mogelijk is voor <1 piek Joule per verzonden bit.
Aan de andere kant neemt de bandbreedte af in een conventionele interface naarmate er meer afstand tot de processor is. Dit betekent dat herinneringen voorbij RAM in de geheugenhiërarchie profiteren ook van dit soort interfaces. Stel je bijvoorbeeld een SSD met een leessnelheid die typisch is voor een DDR4 RAM.
Er is geen wet van Moore voor I / O-pinnen
Ze vertellen ons voortdurend hoe de wet van Moore toestaat dat kleinere fiches worden gemaakt. Dat is waar, behalve dat de externe communicatiepinnen niet kleiner worden. Met andere woorden, de externe interfaces bezetten altijd hetzelfde, waardoor de grootte van een chip wordt beïnvloed als je een specifieke bandbreedte wilt of het gebruik van complexere verpakkingssystemen die een groter aantal pinnen toestaan, wordt gedwongen.
Het concept is gemakkelijk te begrijpen, het stroomverbruik groeit exponentieel als de kloksnelheid hoog is, een hoge kloksnelheid betekent een hoge spanning en de groei van het stroomverbruik is hoog. De enige manier is om het aantal pinnen te vergroten, maar dat dwingt complexe constructies tot massa-build zoals 2.5D en 3D IC's.
Dit is waar fotonica een rol speelt, als een oplossing voor het probleem van geheugeninterfaces en hun schaalvergroting om hogere bandbreedtes te verkrijgen zonder het gemiddelde verbruik bij gegevensoverdracht te verhogen.
Waar wordt fotonica tegenwoordig gebruikt?
Tegenwoordig wordt siliciumfotonica in datacenters gebruikt om systemen met elkaar te verbinden die ver van elkaar verwijderd zijn.
Via optische zendontvangers in elk systeem, die signalen kunnen verzenden en ontvangen. Hun functie is eenvoudig: ze zetten elektrische signalen om in optische signalen die door de glasvezelkabels gaan die de verschillende kasten van het datacenter met elkaar verbinden. Wanneer de zendontvanger de gegevens ontvangt, zet deze deze om in een elektrisch signaal dat conventionele processors en geheugens respectievelijk kunnen verwerken en opslaan.
Dergelijke optische transceivers kunnen een grote hoeveelheid gegevens verzenden en ontvangen. Zijn grootste probleem? Ze zijn duur om te vervaardigen en zelfs nog meer op commerciële schaal. Daarom hebben we ze tegenwoordig in supercomputers en niet in pc's bij ons thuis.
Een andere markt waar siliciumfotonica wordt gebruikt, is medische beeldvorming voor diagnostiek. In feite wordt licht gebruikt bij medische diagnose. Vooral in microscopen en spectroscopen. Door het gebruik van licht kunnen cellen worden geteld en gevisualiseerd, een DNA-sequentie bepaald. Daarom maakt de in het silicium geïntegreerde fotonica het mogelijk om geïntegreerde schakelingen te creëren die zijn ontworpen voor medische diagnose en die tegelijkertijd de mogelijkheid hebben om deze gegevens met hoge snelheid te verwerken.
Met de fotonica die in het silicium is ingebouwd, kan een gewone arts een weefsel, een bloedmonster, enz. Bestuderen zonder te moeten kiezen voor laboratoria met dure apparatuur. Omdat deze technologie het mogelijk zal maken om in de komende jaren intelligente microscopen te creëren, met een geïntegreerde processor die informatie uit de beelden kan halen, deze kan verwerken en indien nodig via een USB-interface naar een pc kan sturen.
Gaan we het op de pc zien?
Het integreren van een optische transceiver ter vervanging van de geheugeninterface heeft voordelen in termen van verbruik en bandbreedte. Het nadeel? We vinden het terug in de kosten bij het implementeren van deze in een processor.
Waar we het gaan zien, zijn concentrators die verantwoordelijk zijn voor het ontvangen en distribueren van meerdere signalen met een hoge bandbreedte tegelijkertijd. Deze concentrators bevinden zich in het centrale deel van een chiplet-gebaseerd systeem waar de afstand tussen de chips het grootst is. Met behulp van optische interfaces is het mogelijk om het probleem van het verbruik in de interfaces en de verslechtering van bandbreedte als gevolg van afstand op te lossen.
Dit is vooral belangrijk in systemen die meerdere GPU's nodig hebben om op grote schaal te communiceren. Hoewel we voorlopig eerst de verschuiving naar verticale interfaces type 2.5DIC en 3DIC zullen zien als oplossingen voor de komst van grootschalige fotonica.
