Использование света для передачи данных вместо электричества не ново и существует уже много лет, хотя и на очень ограниченных рынках. В этой статье мы объясним, из чего состоит реализация фотоники в оборудовании, на каких рынках она используется и когда мы увидим ее реализацию в массовых устройствах, таких как ПК.
Во Вселенной нет ничего быстрее света, поэтому лучший способ передавать данные - через свет. Почему мы не используем фотоны для изготовления процессоров? Потому что они дороже в производстве и не масштабируются по размеру, как кремний. Однако в кремнии есть фотоника, объединяющая два мира. С какими приложениями?
Что такое фотоника в оборудовании?
Аппаратная фотоника - это не что иное, как использование фотонов, составляющих свет, для передачи информации. В рамках фотоники есть кремниевая фотоника, основанная на использовании кремния для передачи оптических сигналов, что позволяет реализовать ее в интегральных схемах.
Его используют не для создания более мощных процессоров, а для связи между различными микросхемами и, следовательно, во внешних интерфейсах между процессорами, памятью и периферийными устройствами. Цель состоит в том, чтобы уменьшить разрыв в пропускной способности, скорости передачи данных между процессором и памятью.
Следует учитывать, что значение, которое доминирует при передаче данных, - это энергия, которую они потребляют. Идея использования кремниевой фотоники заключается в том, чтобы иметь интерфейс, который передает данные по более низкой цене.
Световые интерфейсы памяти
Со временем новые типы памяти предназначены для передачи и приема данных с меньшими затратами на электроэнергию. Если мы воспользуемся данными, мы увидим, что для наиболее эффективных типов памяти потребовались новые методы упаковки. Как и в случае с памятью HBM.
Нет сомнений в том, что потребности в пропускной способности продолжают расти, особенно в эпоху больших данных, когда объем перемещаемой информации огромен. Это означает, что нам нужны более энергоэффективные полосы пропускания. Например, в мире устройств PostPC мы скоро увидим интерфейсы в стиле HBM, с другой стороны, с другой стороны, в мире суперкомпьютеров кремниевая фотоника уже рассматривается не как что-то из будущего, а как нечто настоящее. .
На уровне внутренней связи на кристалле это не дает никаких преимуществ с точки зрения потребления для передачи данных. Когда мы отодвигаем один интерфейс связи от другого, мы видим, что эффективность использования интерфейсов, основанных на фотонике, становится понятной из-за более низкого потребления полосы пропускания, что позволяет передавать данные для <1 пикового Джоуля на передаваемый бит.
С другой стороны, в обычном интерфейсе пропускная способность ухудшается по мере удаления от процессора. Это означает, что воспоминания за пределами Оперативная память в иерархии памяти также извлекают выгоду из этих типов интерфейсов. Представьте себе, например, SSD со скоростью чтения, типичной для оперативной памяти DDR4.
Нет закона Мура для контактов ввода / вывода.
Они постоянно рассказывают нам о том, как закон Мура позволяет изготавливать чипы меньшего размера. Что ж, это правда, за исключением того, что контакты внешней связи не уменьшаются. Другими словами, внешние интерфейсы всегда занимают одно и то же, тем самым влияя на размер микросхемы, если вам нужна определенная пропускная способность, или вынуждая использовать более сложные системы упаковки, допускающие большее количество контактов.
Концепция проста для понимания: энергопотребление растет экспоненциально, если тактовая частота высока, высокая тактовая частота означает высокое напряжение, а рост энергопотребления высокий. Единственный способ - увеличить количество выводов, но это вынуждает массово строить сложные конструкции, такие как 2.5D и 3D IC.
Здесь на помощь приходит фотоника, как решение проблемы интерфейсов памяти и их масштабирования для получения более высокой пропускной способности без увеличения среднего потребления при передаче данных.
Где сегодня используется фотоника?
Сегодня кремниевая фотоника используется в центрах обработки данных для соединения систем, которые находятся на большом расстоянии друг от друга.
Через оптические трансиверы в каждой системе, которые могут передавать и принимать сигналы. Их функция проста: они преобразуют электрические сигналы в оптические, которые проходят по оптоволоконным кабелям, соединяющим различные шкафы, составляющие центр обработки данных. Когда трансивер принимает данные, он преобразует их в электрический сигнал, который обычные процессоры и запоминающие устройства могут обрабатывать и хранить соответственно.
Такие оптические трансиверы могут передавать и принимать большой объем данных. Его главная проблема? Они дороги в производстве и тем более в промышленных масштабах. Вот почему сегодня они есть в суперкомпьютерах, а не в домашних компьютерах.
Другой рынок, на котором используется кремниевая фотоника, - это медицинская визуализация для диагностики. Фактически, свет используется в медицинской диагностике. Особенно в микроскопах и спектроскопах. С помощью света клетки можно подсчитывать и визуализировать, а также определять последовательность ДНК. Таким образом, фотоника, интегрированная в кремний, позволяет создавать интегральные схемы, предназначенные для медицинской диагностики, которые в то же время имеют возможность обрабатывать эти данные с высокой скоростью.
Благодаря фотонике, встроенной в кремний, обычный врач сможет изучить ткань, образец крови и т. Д., Не прибегая к помощи лабораторий с дорогостоящим оборудованием. Поскольку эта технология позволит в последующие годы создавать интеллектуальные микроскопы со встроенным процессором, способным получать информацию из изображений, обрабатывать ее и при необходимости отправлять на ПК через интерфейс USB.
Увидим ли мы это на ПК?
Интеграция оптического трансивера для замены интерфейса памяти имеет преимущества с точки зрения потребления и пропускной способности. Недостаток? Мы находим это в стоимости при реализации их в процессоре.
Мы увидим концентраторы, отвечающие за одновременный прием и распространение нескольких широкополосных сигналов. Эти концентраторы расположены в центральной части системы на основе чиплетов, где расстояние между чипами наибольшее. Использование оптических интерфейсов позволяет решить проблему потребления в интерфейсах и снижения пропускной способности из-за расстояния.
Это особенно важно в системах, которым для крупномасштабной связи требуется несколько графических процессоров. Хотя на данный момент мы сначала увидим переход на вертикальные интерфейсы типа 2.5DIC и 3DIC как решения до прихода крупномасштабной фотоники.
