211service.com
Att få ljus till datorer
Forskare vid IBM tillkännagav nyligen en kiselväxel i nanoskala som kan styra biljoner databitar per sekund inom ett optiskt nätverk. Switchen skulle kunna göra det möjligt att integrera hastigheten och bandbredden för ett telekommunikationsnätverk i en persondator, säger forskarna. Detta är ett allt viktigare mål för ingenjörer eftersom de letar efter den bästa designen för framtida flerkärniga maskiner – datorer med mer än ett bearbetningscenter.
Dirigera trafik: IBM har utvecklat silikonswitchar som kan användas för att styra dataflödet i optiska nätverk på chip. Var och en av de åtta omkopplarna ovan är gjord av fem ringformade resonatorer. Bilden togs med ett optiskt mikroskop.
Framsteg ger forskare mer kontroll över var bitar riktas i ett optiskt nätverk som är mindre än en fingernagel. Vi pratar om att dirigera en terabit per sekund genom en enda switch, säger William Green, en IBM-forskare som arbetade med projektet. Sådan prestanda är jämförbar med vad som uppnås med mycket stora rack med monterad utrustning för telekommunikationsfiberoptik.
Dagens top-of-the-line datorer kommer med två eller fyra generella bearbetningskärnor, men inom det kommande decenniet förväntar sig ingenjörer att bygga datorer med tiotals kärnor. Ett av huvudproblemen med att göra en flerkärnig maskin är att det är oklart hur man låter alla kärnor kommunicera effektivt med varandra och med andra komponenter i datorn som ligger utanför chippet, till exempel minne. För närvarande sker all denna kommunikation över metalltrådar som etsas in i chips och kretskort. Men ledningar har ett inneboende motstånd, vilket begränsar datahastigheten. Dessutom kan de strömmande elektronerna producera elektriska störningar och värme som kan orsaka beräkningsfel.
Optiska enheter och vågledare inbyggda i samma kisel som används för att tillverka chips är lovande alternativ till elektroniska komponenter och metalltrådar. Under de senaste åren har det skett en flod av aktivitet inom detta område, känt som kiselfotonik, från IBM, Intel, Sun Microsystems, Hewlett Packard, MIT, Columbia University och University of Southern California, för att nämna några. Forskare har ständigt skapat allt effektivare kiselbaserade enheter, såsom lasrar, modulatorer som kodar data till ljus, detektorer och filter som rensar upp signaler när de färdas genom ett nätverk. Faktum är att Sun Microsystems nyligen tilldelades ett kontrakt på 44 miljoner dollar från U.S. Pentagon för att undersöka metoder för att ersätta metalltrådar med ljusstrålar.
Även om det finns många delar som är nödvändiga för intradatoroptiska nätverk, är IBM:s växlingsmeddelande ett viktigt steg mot att göra ett sådant system praktiskt. Det har skett många framsteg inom kiselfotonik, säger Cool Bergman , professor i elektroteknik vid Columbia University, men IBM:s switch är mycket viktig för att kunna göra optiska nätverk på chips. Eftersom enheten dirigerar ett antal olika våglängder av ljus till olika delar av ett chip eller systemet, behöver ingenjörer inte bygga punkt-till-punkt vågledare till varje destination i ett system. Detta gör att du kan generera och dirigera fotoner till flera destinationer på ett mer effektivt sätt, säger Bergman.
IBM:s switch, som beskrivs i en ny artikel i Naturfotonik , är gjord av sammankopplade, resonansringar etsade i kisel. Ringarna är bara 200 nanometer höga - mycket mindre än dimensionerna på optiska fibrer som normalt bär ljus. När strömbrytaren slås på skickas elektroner till en specifik ring. Dessa elektroner förändrar hur ringen resonerar, vilket effektivt blockerar ljus från att passera igenom. Ljuset studsar av resonatorn och reflekteras i en annan riktning.
Designen är unik av flera anledningar, förklarar Green. För det första filtrerar switchen inte ljuset baserat på dess våglängd, till skillnad från switchar som används i telekommunikationsnätverk som behöver dirigera specifika typer av ljus till specifika destinationer. Och ju fler våglängder av ljus som släpps igenom ett on-chip-nätverk, desto mer bandbredd är tillgänglig.
En andra utmärkande egenskap, konstaterar Green, är att IBM:s switch kan motstå en variation på cirka 30 °C, vilket är avgörande för att säkerställa att nätverket är tillförlitligt. Inom en given mikroprocessor, säger Green, rör sig hot spots runt på chippets yta som en funktion av siffror. Om dessa optiska sammankopplingar är fördelade över hela ytan, säger han, måste ingenjörer se till att hot spots inte ändrar egenskaperna hos enheterna, så att data kan ta sig till varje ände av chippet oförändrat. Temperaturtåligheten hos switchen, säger Green, beror delvis på att flera våglängder av ljus släpps igenom. När omkopplaren ändrar temperatur ändrar den också egenskaper, vilket gör att vissa våglängder av ljus blockeras. Men eftersom omkopplaren designades för att dirigera ett brett spektrum, kan den fortfarande fungera i en miljö med variabel temperatur.
Green säger att det kan ta fem till tio år innan den här omkopplaren hittar in i en kommersiell maskin. IBM har redan gjort ultrasmå optiska kiselmodulatorer, men, säger han, det kommer att ta år att integrera modulatorn, switchen och andra komponenter med chipelektronik.
Faktum är att löftet om kiselfotonik ger en ny utmaning: hur man designar om en dator för att kommunicera med ljus istället för med elektroner. Hur designar man ett sammankopplat nätverk som verkligen utnyttjar optiken? frågar Bergman. Du kan inte följa elektronikens regler för nätverksdesign, säger hon. Det finns många saker som kommer att utvecklas dramatiskt när vi går framåt.