Hur fotonik används i optiska kretsar och gränssnitt i PC

Hur fotonik används i optiska kretsar och gränssnitt i PC

Användningen av ljus för att överföra data istället för el är inte ny och har funnits i flera år, även om det är på mycket begränsade marknader. I den här artikeln kommer vi att förklara vad implementeringen av fotonik i hårdvara består av, på vilka marknader den används och när vi kommer att se den implementerad i massenheter som PC.

I universum finns det inget snabbare än ljus, så det bästa sättet att överföra data är genom ljus. Varför använder vi inte fotoner för att tillverka processorer? Tja, för det är dyrare att tillverka och de skalas inte i storlek som kisel. Det finns dock fotonik integrerat i kislet som förenar de två världarna. Med vilka applikationer?

Vad är fotonik i hårdvara?

Transceptor foton

Fotonik i hårdvara är inget annat än användningen av fotoner som utgör ljus för överföring av information. Inom fotonik finns kiselfotonik, som baseras på användningen av kisel för överföring av optiska signaler, vilket möjliggör implementering i integrerade kretsar.

Dess användning är inte att skapa kraftfullare processorer utan för kommunikation mellan olika chips och därför i de externa gränssnitten mellan processorer, minnen och kringutrustning. Syftet är att minska klyftan i bandbredd, hastigheten med vilken data överförs, mellan processorn och minnet.

Det måste tas i beaktande att det värde som dominerar vid överföring av data är den energi de förbrukar. Just tanken på att använda kiselfotonik är också att ha ett gränssnitt som överför data till en lägre kostnad.

Ljusbaserade minnesgränssnitt

pj bit RAM

När tiden går är nya typer av minne utformade för att sända och ta emot data till lägre energikostnader. Om vi ​​använder data kommer vi att se hur de mest effektiva minnestyperna har krävt nya förpackningstekniker. Som det är fallet med HBM-minnet.

Det råder ingen tvekan om att behovet av bandbredd fortsätter att växa, särskilt i Big Data-tiden där informationen som rör sig är enorm. Det betyder att vi behöver mer energieffektiva bandbredder. Till exempel i världen av PostPC-enheter kommer vi snart att se HBM-stilgränssnitt, å andra sidan, å andra sidan, i superdatorer, kiselfotonik anses redan inte vara något av framtiden, utan för närvarande .

fotónica consumo energy

På nivån för intern kommunikation på ett chip erbjuder det ingen fördel när det gäller förbrukning för dataöverföring. Det är när vi flyttar ett kommunikationsgränssnitt från ett annat när vi ser att effektiviteten i användningen av gränssnitt baserade på fotonik börjar vara vettigt på grund av den lägre förbrukningen av bandbredd, vilket möjliggör dataöverföring för <1 topp Joule per sänd bit.

fotonik

Å andra sidan försämras bandbredden i ett konventionellt gränssnitt eftersom det finns mer avstånd från processorn. Detta innebär att minnen bortom RAM i minneshierarkin drar också nytta av dessa typer av gränssnitt. Tänk dig till exempel en SSD med en läshastighet som är typisk för ett DDR4 RAM.

Det finns ingen Moores lag för I / O-stift

Pines CPU

De berättar ständigt om hur Moores lag gör det möjligt att göra mindre marker. Tja, det är sant förutom att de externa kommunikationsnålarna inte minskar. Med andra ord upptar de externa gränssnitten alltid samma sak, vilket påverkar storleken på ett chip om du vill ha en specifik bandbredd eller tvingar användningen av mer komplexa förpackningssystem som tillåter ett större antal stift.

Konceptet är lätt att förstå, energiförbrukningen växer exponentiellt om klockhastigheten är hög, en hög klockhastighet betyder hög spänning och tillväxten i strömförbrukning är hög. Det enda sättet är att öka antalet stift, men det tvingar komplexa konstruktioner att massbygga som 2.5D och 3D IC.

Det är här fotonik kommer in som en lösning på problemet med minnesgränssnitt och deras skalning för att få högre bandbredd utan att öka den genomsnittliga förbrukningen vid dataöverföring.

Var används fotonik idag?

datacenter

Idag används kiselfotonik i datacenter för att ansluta system som är mycket separerade.

Genom optiska sändtagare i varje system, som kan sända och ta emot signaler. Deras funktion är enkel, de omvandlar elektriska signaler till optiska signaler som färdas genom de fiberoptiska kablarna som förbinder de olika skåpen som utgör datacentret. När sändtagaren tar emot data konverterar den den till en elektrisk signal som konventionella processorer och minnen kan bearbeta respektive lagra.

Sådana optiska sändtagare har förmågan att sända och ta emot en stor datamängd. Dess största problem? De är dyra att tillverka och ännu mer i kommersiell skala. Det är därför vi har dem i superdatorer idag och inte i datorer i våra hem.

fotónica equipamiento médico

En annan marknad där kiselfotonik används är medicinsk bildbehandling för diagnostik. I själva verket används ljus vid medicinsk diagnos. Speciellt i mikroskop och spektroskop. Genom användning av ljus kan celler räknas och visualiseras, en DNA-sekvens bestäms. Därför möjliggör den integrerade fotoniken i kislet skapandet av integrerade kretsar utformade för medicinsk diagnos som samtidigt har förmågan att bearbeta dessa data i hög hastighet.

Med fotonik inbyggt i kislet kommer en vanlig läkare att kunna studera en vävnad, ett blodprov etc. utan att behöva välja laboratorier med högkostnadsutrustning. Eftersom denna teknik möjliggör skapandet av intelligenta mikroskop under de följande åren, med en integrerad processor som kan få information från bilderna, bearbeta den och skicka den till en dator via ett USB-gränssnitt om det behövs.

Ska vi se det på datorn?

fotonik

Integrering av en optisk sändtagare för att ersätta minnesgränssnittet har fördelar när det gäller konsumtion och bandbredd. Nackdelen? Vi hittar det i kostnaden när vi implementerar dessa i en processor.

Där vi ska se är det i koncentratorer som ansvarar för att ta emot och distribuera flera signaler med hög bandbredd samtidigt. Dessa koncentratorer finns i den centrala delen av ett chipbaserat system där avståndet mellan chipsen är störst. Med användning av optiska gränssnitt är det möjligt att lösa problemet med förbrukning i gränssnitten och nedbrytningen av bandbredd på grund av avstånd.

Detta är särskilt viktigt i system som kräver flera GPU: er för att kommunicera i stor skala. Även om vi för tillfället först ser övergången till vertikala gränssnitt typ 2.5DIC och 3DIC som lösningar före ankomsten av storskalig fotonik.