Cum este utilizată fotonica în circuite optice și interfețe în computer

Cum este utilizată fotonica în circuite optice și interfețe în computer

Utilizarea luminii pentru a transmite date în loc de energie electrică nu este nouă și există de ani de zile, deși pe piețe foarte limitate. În acest articol vom explica în ce constă implementarea fotonicii în hardware, în ce piețe este utilizată și când o vom vedea implementată pe dispozitive de masă precum PC-ul.

În univers nu există nimic mai rapid decât lumina, deci cel mai bun mod de a transmite date este prin lumină. De ce nu folosim fotoni pentru a realiza procesoare? Ei bine, pentru că este mai scump de fabricat și nu se scalează din punct de vedere al dimensiunii ca siliciu. Cu toate acestea, există fotonica integrată în siliciu care unește cele două lumi. Cu ce ​​aplicații?

Ce este fotonica în hardware?

Transceptor fotonica

Fotonica din hardware nu este altceva decât utilizarea fotonilor care alcătuiesc lumina pentru transmiterea informațiilor. În cadrul fotonicii există fotonica din siliciu, care se bazează pe utilizarea siliciului pentru transmiterea semnalelor optice, care permite implementarea acestuia în circuite integrate.

Utilizarea acestuia nu este pentru a crea procesoare mai puternice, ci pentru comunicarea între diferite cipuri și, prin urmare, în interfețele externe dintre procesoare, memorii și periferice. Scopul este de a reduce decalajul în lățimea de bandă, viteza cu care sunt transmise datele, între procesor și memorie.

Trebuie să se țină seama de faptul că valoarea care domină la transmiterea datelor este energia pe care o consumă. Tocmai ideea de a folosi fotonica din siliciu este de a avea și o interfață care transmite date la un cost mai mic.

Interfețe de memorie bazate pe lumină

pj bit RAM

Pe măsură ce trece timpul, noi tipuri de memorie sunt concepute pentru a transmite și primi date la costuri mai mici de energie. Dacă folosim datele, vom vedea cum cele mai eficiente tipuri de memorie au necesitat noi tehnici de ambalare. Ca și în cazul memoriei HBM.

Nu există nicio îndoială că nevoile de lățime de bandă continuă să crească, mai ales în era Big Data, unde informațiile care se mișcă sunt enorme. Aceasta înseamnă că avem nevoie de lățimi de bandă mai eficiente din punct de vedere energetic. De exemplu, în lumea dispozitivelor PostPC vom vedea în curând interfețe în stil HBM, pe de altă parte, la cealaltă extremă, în lumea supercomputerelor, fotonica din siliciu este deja considerată nu ca ceva din viitor, ci din prezent .

fotónica consum de energie

La nivelul comunicării interne pe un cip, acesta nu oferă niciun avantaj în ceea ce privește consumul pentru transmiterea datelor. Atunci când îndepărtăm o interfață de comunicație de alta atunci când vedem că eficiența utilizării interfețelor bazate pe fotonică începe să aibă sens datorită consumului mai mic de lățime de bandă, permițând transferul de date pentru <1 vârf de Joule pe bit transmis.

fotonica

Pe de altă parte, lățimea de bandă se degradează într-o interfață convențională, deoarece există o distanță mai mare de procesor. Aceasta înseamnă că amintirile de dincolo RAM în ierarhia de memorie beneficiază de asemenea de aceste tipuri de interfețe. Imaginați-vă de exemplu un SSD cu o viteză de citire tipică unei RAM DDR4.

Nu există legea lui Moore pentru pinii I / O

CPU Pines

Ei ne spun continuu despre modul în care Legea lui Moore permite realizarea de jetoane mai mici. Ei bine, este adevărat, cu excepția faptului că pinii de comunicare externi nu scad. Cu alte cuvinte, interfețele externe ocupă întotdeauna același lucru, afectând astfel dimensiunea unui cip dacă doriți o lățime de bandă specifică sau forțând utilizarea unor sisteme de ambalare mai complexe care permit un număr mai mare de pini.

Conceptul este ușor de înțeles, consumul de energie crește exponențial dacă viteza de ceas este mare, o viteză de ceas mare înseamnă tensiune ridicată, iar creșterea consumului de energie este mare. Singura modalitate este de a crește numărul de pini, dar care forțează construcțiile complexe să construiască în masă, cum ar fi IC-urile 2.5D și 3D.

Aici intervine fotonica, ca soluție la problema interfețelor de memorie și a scalării acestora pentru a obține lățimi de bandă mai mari fără a crește consumul mediu în transferul de date.

Unde se folosește fotonica astăzi?

Centru de date

Astăzi, fotonica cu siliciu este utilizată în centrele de date pentru a conecta sisteme care sunt separate pe scară largă.

Prin transmițătoare optice din fiecare sistem, care pot transmite și primi semnale. Funcția lor este simplă, convertesc semnalele electrice în semnale optice care se deplasează prin cablurile de fibră optică care conectează diferitele dulapuri care alcătuiesc centrul de date. Când transmițătorul primește datele, atunci le transformă într-un semnal electric pe care procesoarele convenționale și memoria le pot procesa și stoca respectiv.

Astfel de transmițătoare optice au capacitatea de a transmite și primi un volum mare de date. Principala sa problemă? Sunt scumpe de fabricat și cu atât mai mult la scară comercială. De aceea le avem astăzi în supercalculatoare și nu în computerele din casele noastre.

fotonica equipamiento médico

O altă piață în care se utilizează fotonica cu siliciu este imagistica medicală pentru diagnostic. De fapt, lumina este utilizată în diagnosticul medical. Mai ales la microscop și spectroscop. Prin utilizarea luminii, celulele pot fi numărate și vizualizate, o secvență de ADN determinată. Prin urmare, fotonica integrată în siliciu permite crearea de circuite integrate concepute pentru diagnostic medical care au în același timp capacitatea de a procesa aceste date la viteză mare.

Cu fotonica integrată în siliciu, un medic obișnuit va putea studia un țesut, o probă de sânge etc. Fără a fi nevoie să opteze pentru laboratoare cu echipamente cu costuri ridicate. Deoarece această tehnologie va permite crearea de microscoape inteligente în anii următori, cu un procesor integrat capabil să obțină informații din imagini, să le proceseze și să le trimită la un computer printr-o interfață USB, dacă este necesar.

O vom vedea pe PC?

fotonica

Integrarea unui transceiver optic pentru a înlocui interfața de memorie are avantaje în ceea ce privește consumul și lățimea de bandă. Dezavantajul? O găsim în cost atunci când le implementăm într-un procesor.

Unde vom vedea este în concentratoarele însărcinate cu recepționarea și distribuirea mai multor semnale cu lățime de bandă ridicată în același timp. Acești concentratori se află în partea centrală a unui sistem bazat pe chiplet, unde distanța dintre chipsuri este mai mare. Cu ajutorul interfețelor optice, este posibil să se rezolve problema consumului în interfețe și degradarea lățimii de bandă datorată distanței.

Acest lucru este deosebit de important în sistemele care necesită mai multe GPU-uri pentru a comunica pe scară largă. Deși pentru moment vom vedea mai întâi trecerea la interfețele verticale de tip 2.5DIC și 3DIC ca soluții înainte de sosirea fotonicii pe scară largă.