Verileri iletmek için elektrik yerine ışık kullanımı yeni değil ve çok sınırlı pazarlarda olmasına rağmen yıllardır var. Bu yazımızda fotonik uygulamasının donanımda nelerden oluştuğunu, hangi pazarlarda kullanıldığını ve PC gibi toplu cihazlarda uygulandığını ne zaman göreceğimizi anlatacağız.
Evrende ışıktan daha hızlı hiçbir şey yoktur, bu nedenle veri aktarmanın en iyi yolu ışıktır. İşlemciler yapmak için neden foton kullanmıyoruz? Eh, çünkü üretimi daha pahalı ve silikon gibi boyut açısından ölçeklenmiyorlar. Bununla birlikte, iki dünyayı birleştiren silikona entegre fotonikler var. Hangi uygulamalarla?
Donanımda fotonik nedir?
Donanımdaki fotonik, bilgi iletimi için ışık oluşturan fotonların kullanılmasından başka bir şey değildir. Fotonik içinde, optik sinyallerin iletimi için silikon kullanımına dayanan ve entegre devrelerde uygulanmasına izin veren silikon fotonik vardır.
Kullanımı daha güçlü işlemciler oluşturmak için değil, farklı yongalar arasında ve dolayısıyla işlemciler, bellekler ve çevre birimleri arasındaki harici arabirimlerde iletişim için. Amaç, işlemci ile bellek arasındaki bant genişliği, yani verinin iletilme hızındaki boşluğu azaltmaktır.
Veri iletirken hakim olan değerin tükettikleri enerji olduğu dikkate alınmalıdır. Kesin olarak, silikon fotonik kullanma fikri, verileri daha düşük bir maliyetle ileten bir arayüze sahip olmaktır.
Işık tabanlı bellek arayüzleri
Zaman geçtikçe, verileri daha düşük enerji maliyetleriyle iletmek ve almak için yeni bellek türleri tasarlanıyor. Verileri kullanırsak, en verimli bellek türlerinin nasıl yeni paketleme teknikleri gerektirdiğini göreceğiz. HBM bellekte olduğu gibi.
Özellikle hareket eden bilginin muazzam olduğu Büyük Veri çağında, bant genişliği ihtiyaçlarının artmaya devam ettiğine şüphe yoktur. Bu, daha fazla enerji verimli bant genişliğine ihtiyacımız olduğu anlamına gelir. Örneğin, PostPC cihazları dünyasında yakında HBM tarzı arayüzler göreceğiz, diğer taraftan, diğer uçta, süper bilgisayarlar dünyasında, silikon fotonik zaten geleceğin değil, şimdinin bir parçası olarak kabul ediliyor. .
Bir çip üzerindeki dahili iletişim düzeyinde, veri iletimi için tüketim açısından herhangi bir avantaj sağlamaz. Fotonik tabanlı arayüzlerin kullanımının verimliliğinin, daha düşük bant genişliği tüketimi nedeniyle anlamlı olmaya başladığını ve iletilen bit başına <1 tepe Joule için veri aktarımına izin verdiğini gördüğümüzde, bir iletişim arayüzünü diğerinden uzaklaştırdığımız zamandır.
Öte yandan, işlemciden daha fazla mesafe olduğu için bant genişliği geleneksel bir arabirimde düşer. Bu, hatıraların ötesinde olduğu anlamına gelir RAM bellek hiyerarşisinde de bu tür arabirimlerden yararlanılır. Örneğin bir düşünün SSD DDR4 RAM'e özgü bir okuma hızıyla.
I / O pinleri için Moore yasası yoktur
Bize sürekli olarak Moore Yasasının daha küçük yongaların yapılmasına nasıl izin verdiğini anlatıyorlar. Eh, harici iletişim pinlerinin küçülmemesi dışında bu doğru. Başka bir deyişle, harici arayüzler her zaman aynı şeyi işgal eder, böylece belirli bir bant genişliği istiyorsanız bir çipin boyutunu etkiler veya daha fazla sayıda pime izin veren daha karmaşık paketleme sistemlerini kullanmaya zorlar.
Kavramın anlaşılması kolaydır, saat hızı yüksekse güç tüketimi katlanarak artar, yüksek saat hızı yüksek voltaj anlamına gelir ve güç tüketimindeki artış yüksektir. Tek yol, pim sayısını artırmaktır, ancak bu, karmaşık yapıları 2.5D ve 3D IC'ler gibi toplu inşa etmeye zorlar.
Veri aktarımında ortalama tüketimi artırmadan daha yüksek bant genişlikleri elde etmek için bellek arabirimleri sorununa ve ölçeklendirilmesine bir çözüm olarak fotoniğin devreye girdiği yer burasıdır.
Fotonik bugün nerede kullanılıyor?
Bugün, silikon fotonik, veri merkezlerinde geniş ölçüde ayrılmış sistemleri bağlamak için kullanılmaktadır.
Her sistemdeki sinyalleri iletebilen ve alabilen optik alıcı-vericiler aracılığıyla. İşlevleri basittir, elektrik sinyallerini, veri merkezini oluşturan farklı kabinleri birbirine bağlayan fiber optik kablolardan geçen optik sinyallere dönüştürürler. Alıcı-verici verileri aldığında, geleneksel işlemcilerin ve belleklerin sırasıyla işleyip saklayabileceği bir elektrik sinyaline dönüştürür.
Bu tür optik alıcı-vericiler, büyük miktarda veri iletme ve alma yeteneğine sahiptir. Ana sorunu mu? Üretilmeleri pahalıdır ve ticari ölçekte daha da fazladır. İşte bu yüzden onları bugün evlerimizdeki PC'lerde değil, süper bilgisayarlarda görüyoruz.
Silikon fotoniklerin kullanıldığı bir diğer pazar ise teşhis için tıbbi görüntülemedir. Aslında ışık, tıbbi tanıda kullanılır. Özellikle mikroskoplarda ve spektroskoplarda. Işık kullanımıyla hücreler sayılabilir ve görselleştirilebilir, bir DNA dizisi belirlenir. Bu nedenle, silikona entegre edilen fotonikler, aynı zamanda bu verileri yüksek hızda işleme yeteneğine sahip olan tıbbi teşhis için tasarlanmış entegre devrelerin oluşturulmasına izin verir.
Silikonun içine yerleştirilmiş fotonikler sayesinde sıradan bir doktor, yüksek maliyetli ekipmanlara sahip laboratuvarları tercih etmek zorunda kalmadan bir dokuyu, bir kan örneğini vs. inceleyebilecektir. Zira bu teknoloji, önümüzdeki yıllarda, görüntülerden bilgi alabilen, işleyebilen ve gerekirse bir USB arabirimi aracılığıyla bir PC'ye gönderebilen entegre bir işlemciye sahip akıllı mikroskopların oluşturulmasına olanak tanıyacaktır.
Bilgisayarda görecek miyiz?
Bellek arayüzünü değiştirmek için bir optik alıcı-vericinin entegre edilmesi, tüketim ve bant genişliği açısından avantajlara sahiptir. Dezavantaj? Bunları bir işlemcide uygularken maliyette buluyoruz.
Göreceğimiz yer, aynı anda birkaç yüksek bant genişliğine sahip sinyali almaktan ve dağıtmaktan sorumlu yoğunlaştırıcılardır. Bu yoğunlaştırıcılar, yongalar arasındaki mesafenin en büyük olduğu yonga tabanlı bir sistemin orta kısmında bulunur. Optik arayüzlerin kullanımı ile arayüzlerdeki tüketim ve mesafe nedeniyle bant genişliğinin bozulması sorununu çözmek mümkündür.
Bu, özellikle büyük ölçekte iletişim kurmak için birden fazla GPU gerektiren sistemlerde önemlidir. Şimdilik, büyük ölçekli fotoniklerin gelmesinden önce çözüm olarak 2.5DIC ve 3DIC tipi dikey arayüzlere geçişi göreceğiz.
