211service.com
Światło w komputerach
Naukowcy z IBM ogłosili niedawno krzemowy przełącznik w nanoskali, który może kierować bilionami bitów danych na sekundę w sieci optycznej. Jak twierdzą naukowcy, przełącznik mógłby umożliwić włączenie szybkości i przepustowości sieci telekomunikacyjnej do komputera osobistego. Jest to coraz ważniejszy cel dla inżynierów, którzy poszukują najlepszego projektu przyszłych maszyn wielordzeniowych — komputerów z więcej niż jednym centrum przetwarzania.
Kierowanie ruchem: IBM opracował przełączniki krzemowe, które mogą być używane do sterowania przepływem danych w układowych sieciach optycznych. Każdy z ośmiu przełączników powyżej składa się z pięciu rezonatorów w kształcie pierścienia. Zdjęcie wykonano pod mikroskopem optycznym.
Postęp daje naukowcom większą kontrolę nad tym, gdzie bity są kierowane w sieci optycznej mniejszej niż paznokieć. Mówimy o routingu terabita na sekundę przez pojedynczy przełącznik, mówi William Green, badacz IBM, który pracował nad projektem. Taka wydajność jest porównywalna do tego, co osiągają bardzo duże szafy montowanego sprzętu dla światłowodów telekomunikacyjnych.
Dzisiejsze najnowocześniejsze komputery są wyposażone w dwa lub cztery rdzenie przetwarzania ogólnego, ale w ciągu następnej dekady inżynierowie spodziewają się zbudować komputery z dziesiątkami rdzeni. Jednym z głównych problemów związanych z tworzeniem maszyny wielordzeniowej jest to, że nie jest jasne, w jaki sposób umożliwić wszystkim rdzeniom wydajną komunikację między sobą oraz z innymi komponentami komputera, które są niezależne od chipa, takimi jak pamięć. Obecnie cała ta komunikacja odbywa się za pomocą metalowych przewodów, które są wytrawione w chipach i płytkach drukowanych. Ale przewody mają wewnętrzną rezystancję, która ogranicza prędkość danych. Ponadto płynące elektrony mogą wytwarzać zakłócenia elektryczne i ciepło, które mogą powodować błędy obliczeniowe.
Urządzenia optyczne i falowody wbudowane w ten sam krzem, który jest używany do produkcji chipów, stanowią obiecującą alternatywę dla komponentów elektronicznych i przewodów metalowych. W ciągu ostatnich kilku lat nastąpił zalew aktywności w tej dziedzinie, znanej jako fotonika krzemowa, między innymi przez IBM, Intel, Sun Microsystems, Hewlett Packard, MIT, Columbia University i University of Southern California. Naukowcy stale tworzą coraz wydajniejsze urządzenia oparte na krzemie, takie jak lasery , modulatory kodujące dane w świetle, detektory i filtry, które oczyszczają sygnały podczas ich przechodzenia przez sieć. W rzeczywistości firma Sun Microsystems otrzymała niedawno od amerykańskiego Pentagonu kontrakt o wartości 44 milionów dolarów na zbadanie możliwości zastąpienia metalowych drutów wiązkami światła.
Chociaż istnieje wiele elementów, które są niezbędne dla wewnątrzkomputerowych sieci optycznych, zapowiedź przełącznika IBM jest ważnym krokiem w kierunku uczynienia takiego systemu praktycznym. Mówi się, że nastąpiło wiele postępów w fotonice krzemowej Fajny Bergman , profesor elektrotechniki na Columbia University, ale przełącznik IBM jest bardzo ważny, aby móc tworzyć sieci optyczne na chipach. Ponieważ urządzenie kieruje światło o różnych długościach fal do różnych części chipa lub systemu, inżynierowie nie muszą budować falowodów punkt-punkt do każdego miejsca docelowego w systemie. Pozwala to na generowanie i kierowanie fotonów do wielu miejsc w bardziej wydajny sposób, mówi Bergman.
Przełącznik IBM, który jest opisany w niedawnym artykule w Fotonika przyrody , składa się z połączonych, rezonujących pierścieni wytrawionych w silikonie. Pierścienie mają tylko 200 nanometrów wysokości – znacznie mniejsze niż wymiary światłowodów, które normalnie przenoszą światło. Gdy przełącznik jest włączony, elektrony są wysyłane do określonego pierścienia. Elektrony te zmieniają sposób, w jaki pierścień rezonuje, co skutecznie blokuje przechodzenie światła. Światło odbija się od rezonatora i odbija się w innym kierunku.
Projekt jest wyjątkowy z wielu powodów, wyjaśnia Green. Po pierwsze, przełącznik nie filtruje światła na podstawie jego długości fali, w przeciwieństwie do przełączników używanych w sieciach telekomunikacyjnych, które muszą kierować określone rodzaje światła do określonych miejsc docelowych. A im więcej długości fal światła przepuszczanych jest przez sieć chipową, tym większa jest dostępna przepustowość.
Drugą wyróżniającą cechą, zauważa Green, jest to, że przełącznik IBM jest w stanie wytrzymać zmiany o około 30 °C, co ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia niezawodności sieci. W każdym mikroprocesorze, mówi Green, gorące punkty poruszają się po powierzchni chipa w funkcji zgniatania liczb. Jeśli te optyczne interkonekty są rozmieszczone na całej powierzchni, inżynierowie muszą upewnić się, że gorące punkty nie zmieniają właściwości urządzeń, aby dane mogły dotrzeć do każdego końca chipa w niezmienionej formie. Odporność temperaturowa przełącznika, jak mówi Green, wynika po części z przepuszczania światła o wielu długościach fal. Gdy przełącznik zmienia temperaturę, zmienia również właściwości, co powoduje blokowanie niektórych długości fal światła. Ale ponieważ przełącznik został zaprojektowany do kierowania szerokiego spektrum, nadal może działać w środowisku o zmiennej temperaturze.
Green twierdzi, że może minąć od pięciu do dziesięciu lat, zanim ta zmiana trafi do komercyjnej maszyny. IBM wyprodukował już ultramałe optyczne modulatory krzemowe, ale, jak mówi, integracja modulatora, przełącznika i innych komponentów z elektroniką zajmie lata.
Rzeczywiście, obietnica fotoniki krzemowej stwarza nowe wyzwanie: jak przeprojektować komputer tak, aby komunikował się ze światłem zamiast z elektronami. Jak zaprojektować połączoną sieć, która naprawdę wykorzystuje optykę? pyta Bergman. Nie można przestrzegać zasad projektowania sieci w elektronice, mówi. Jest wiele rzeczy, które dramatycznie ewoluują w miarę postępu.