O uso de luz para transmitir dados em vez de eletricidade não é novo e já existe há anos, embora em mercados muito limitados. Neste artigo, vamos explicar em que consiste a implementação da fotônica em hardware, em quais mercados ela é usada e quando a veremos implementada em dispositivos de massa como o PC.
No universo não há nada mais rápido que a luz, então a melhor maneira de transmitir dados é por meio da luz. Por que não usamos fótons para fazer processadores? Bem, porque é mais caro de fabricar e eles não escalam em termos de tamanho como o silício. Porém, existe a fotônica integrada no silício que une os dois mundos. Com quais aplicativos?
O que é fotônica em hardware?
A fotônica em hardware nada mais é do que o uso de fótons que compõem a luz para a transmissão de informações. Dentro da fotônica existe a fotônica do silício, que se baseia no uso do silício para a transmissão de sinais ópticos, o que permite sua implementação em circuitos integrados.
Seu uso não é para criar processadores mais potentes, mas para comunicação entre diferentes chips e, portanto, nas interfaces externas entre processadores, memórias e periféricos. O objetivo é reduzir a lacuna na largura de banda, a velocidade com que os dados são transmitidos, entre o processador e a memória.
Deve-se levar em consideração que o valor que predomina na transmissão dos dados é a energia que eles consomem. Justamente a ideia de usar fotônica de silício é ter também uma interface que transmita dados a um custo menor.
Interfaces de memória baseadas em luz
Com o passar do tempo, novos tipos de memória são projetados para transmitir e receber dados com custos de energia mais baixos. Se usarmos os dados, veremos como os tipos de memória mais eficientes exigiram novas técnicas de empacotamento. Como é o caso da memória HBM.
Não há dúvida de que a largura de banda precisa continuar crescendo, especialmente na era do Big Data, onde a informação que se move é enorme. Isso significa que precisamos de larguras de banda com maior eficiência energética. Por exemplo, no mundo dos dispositivos PostPC veremos em breve interfaces do tipo HBM, por outro lado, no outro extremo, no mundo dos supercomputadores, a fotônica de silício já é considerada não algo do futuro, mas do presente .
Ao nível da comunicação interna em chip, não oferece qualquer vantagem em termos de consumo para transmissão de dados. É quando afastamos uma interface de comunicação da outra que vemos que a eficiência do uso de interfaces baseadas em fotônica começa a fazer sentido devido ao menor consumo de largura de banda, permitindo transferência de dados para <1 Joule de pico por bit transmitido.
Por outro lado, a largura de banda se degrada em uma interface convencional à medida que há mais distância do processador. Isso significa que as memórias além RAM na hierarquia de memória também se beneficiam desses tipos de interfaces. Imagine, por exemplo, um SSD com uma velocidade de leitura típica de uma RAM DDR4.
Não há lei de Moore para pinos de E / S
Eles continuamente nos falam sobre como a Lei de Moore permite que chips menores sejam feitos. Bem, isso é verdade, exceto que os pinos de comunicação externos não diminuem. Em outras palavras, as interfaces externas ocupam sempre a mesma coisa, afetando assim o tamanho de um chip se você deseja uma largura de banda específica ou forçando o uso de sistemas de empacotamento mais complexos que permitem um maior número de pinos.
O conceito é fácil de entender, o consumo de energia cresce exponencialmente se a velocidade do clock for alta, uma velocidade de clock alta significa alta tensão e o crescimento no consumo de energia é alto. A única maneira é aumentar o número de pinos, mas isso força as construções complexas a se formarem em massa, como ICs 2.5D e 3D.
É aí que entra a fotônica, como solução para o problema das interfaces de memória e seu escalonamento para obter maiores larguras de banda sem aumentar o consumo médio na transferência de dados.
Onde a fotônica é usada hoje?
Hoje, a fotônica de silício é usada em data centers para conectar sistemas amplamente separados.
Através de transceptores ópticos em cada sistema, que podem transmitir e receber sinais. Sua função é simples, eles convertem sinais elétricos em sinais ópticos que viajam através dos cabos de fibra óptica que conectam os diferentes gabinetes que compõem o data center. Quando o transceptor recebe os dados, ele os converte em um sinal elétrico que os processadores convencionais e as memórias podem processar e armazenar, respectivamente.
Esses transceptores ópticos têm a capacidade de transmitir e receber um grande volume de dados. Seu principal problema? Eles são caros de fabricar e ainda mais em escala comercial. É por isso que os temos em supercomputadores hoje e não em PCs em nossas casas.
Outro mercado onde a fotônica de silício é usada é a imagem médica para diagnósticos. Na verdade, a luz é usada em diagnósticos médicos. Especialmente em microscópios e espectroscópios. Através do uso da luz, as células podem ser contadas e visualizadas, uma sequência de DNA determinada. Portanto, a fotônica integrada no silício permite a criação de circuitos integrados projetados para diagnósticos médicos que ao mesmo tempo têm a capacidade de processar esses dados em alta velocidade.
Com a fotônica incorporada ao silício, um médico comum poderá estudar um tecido, uma amostra de sangue etc. sem ter que optar por laboratórios com equipamentos de alto custo. Pois esta tecnologia permitirá a criação de microscópios inteligentes nos próximos anos, com um processador integrado capaz de obter as informações das imagens, processá-las e enviá-las para um PC através de uma interface USB se necessário.
Vamos ver no PC?
A integração de um transceptor óptico para substituir a interface de memória tem vantagens em termos de consumo e largura de banda. A desvantagem? Encontramos isso no custo ao implementá-los em um processador.
O que veremos é nos concentradores encarregados de receber e distribuir vários sinais de alta largura de banda ao mesmo tempo. Esses concentradores estão localizados na parte central de um sistema baseado em chips, onde a distância entre os chips é maior. Com o uso de interfaces ópticas, é possível resolver o problema de consumo nas interfaces e a degradação da largura de banda devido à distância.
Isso é especialmente importante em sistemas que requerem várias GPUs para se comunicar em grande escala. Embora, por enquanto, veremos primeiro a mudança para interfaces verticais do tipo 2.5DIC e 3DIC como soluções antes da chegada da fotônica em grande escala.
