Radikális változásokat hoz a chipre integrált lézer

Évtizedes erőfeszítés eredménye

Az Intel elsőként hozott létre olyan optikai összeköttetést, amelynek két végpontja szilícium chipre integrált optikai egységeket használt. Ez a küldő oldalán szilíciumra integrált, úgynevezett hibrid lézereket, modulátorokat és multiplexert jelenti, míg a fogadó oldalán integrált szilícium demultiplexert és fotodetektorokat, amelyek az egyes csatornákat kódoló fényt elektronikus digitális jelekké alakítják vissza. Ennek a kutatás ágnak nincs köze az Intel Light Peak néven ismert fejlesztéséhez.

Az Intel lényegében sebészi pontossággal tartotta azt a kutatás-fejlesztési ütemtervet, amelyet korábban tűzött ki. A vállalat 2005-ben, az első szilícium-alapú lézer áttörést jelentő elkészítésekor közölte, hogy a technológia az évtized végére fogja elérni azt a szintet, hogy tömegtermelésre alkalmas legyen. A működést demonstráló küldőchipen olyan indium-foszfid hibrid lézereket hoztak létre a szilíciumlapkán, amelyeket elsőként 2006-ban produkált az Intel a Kaliforniai Egyetemmel közös kutatások eredményeként.

A szilícium-alapú lézerekkel kapcsolatos legnagyobb nehézséget az jelenti, hogy maga a szilícium rendes körülmények között nem jó optikai vezető. Az Intel és a Kaliforniai Egyetem kutatói azonban sikerrel vonták be egy szilíciumból készült lapka felületét a lézeres eszközökben remek optikai tulajdonságai miatt már régóta használt indium-foszfid (InP) réteggel. Az így létrejövő struktúrából a várakozások szerint egyetlen chipen akár több száz, vagy több ezer, elektromos áram hatására lézersugarat kibocsátó "kapu" hozható létre, mivel az elektromos stimulálásra az InP vegyület fényt bocsát ki. Ezt a fényt a szilícium közeg fókuszálja, mivel a szilíciumkristályok tükörként működnek. Az InP lézert a szilíciumba marással ágyazzák, és a hullámhosszúságot pedig a gyártási folyamat során a maratott vájat méretei határozzák meg.

^{A hibrid lézer struktúrája}

Mivel az indium-foszfid egy szintén ismert és elterjedten használt félvezető vegyület, ezért a gyártástechnológiába emelése előtt nem tornyosulnak hatalmas problémák, az integrált InP-lézereket a meglévő chipgyártási eljárásokba illesztve lehet majd kialakítani a szilíciumlapkákon. Ugyanez igaz a lézerből az optikai jelet előállító a modulátorokra, multiplexerekre, valamint a vevőoldalon a demultiplexer és fotodetektor egységekre is, amelyek szilíciumból, valamint a szintén jól ismert és használt germániumból épülnek fel.

Az Intel által demonstrált optikai link a két chip között 50 Gbps sebességű volt, amit négy darab 12,5 Gbps sávszélességű csatorna multiplexelésével ért el egyetlen üvegszálon. Az Intel szerint a kapcsolat megbízhatóságára jellemző, hogy több mint egy egész napon át végzett folyamatos átvitel során egyetlen bithibát sem tapasztaltak. További működési jellemzőket egyelőre nem publikált a vállalat, így nem tudni, pontosan mekkora fogyasztással járt ez a sebesség, és mekkora szilíciumterületet foglaltak el az eszközök. A legegyszerűbb felhasználási terület lehet például a jelenleg hálózati és számítógépen belüli kapcsolatok gyorsítása vagy olcsóbbá tétele.

Radikális következmények

Nem a hagyományos megközelítésben rejlik azonban az integrált optika óriási jelentősége. A képek alapján a jelenlegi implementáció jelentős területet igényel, vagyis egyelőre nem egyértelmű, megérné-e egyáltalán kiváltani a jelenlegi számítógépeken belüli fémalapú összeköttetéseket, amelyek jelentős mennyiségű energiát fogyasztanak, megdrágítják a tokozást és az alaplapokat egyaránt.

A számítógépek és más komplex elektronikai termékek rendkívül magas fokon és szorosan integráltak, mivel elektronikai tervezésüket a chipek közti fémhuzalozás jelentette fizikai korlátok uralják - minél több chip között kell minél nagyobb távolságokat leküzdeni, annál többe kerül a NYÁK előállítása, a tokozás, valamint az összeköttetés adott átviteli sebességet annál magasabb fogyasztással tud csak realizálni.

^{A nagyobb felontásért kattints a képre}

Ilyen problémák az optikai összeköttetésekkel nincsenek, így a jövőben teljesen másfajta fizikai, de akár logikai felépítés is költséghatékonyan megvalósítható lesz, így például az egyetlen hatalmas, kétdimenziós NYÁK-okat felválthatja a több kisebb, térbeli elrendezésű, amelyeket olcsó, alacsony fogyasztású, de extrém sebességre is képes optika kapcsol össze. Ez egyaránt döntő jelentőségű a legkisebb notebookoktól kezdve az asztali gépeken át a nagyobb szerverekig.

Mivel a távolságot itt nem csak centiméterekben, hanem akár méterekben is lehet mérni, ezért egészen újszerű, mai szemmel extrém számítógépes architektúrák is születhetnek, például a processzorok és a memória fizikai eltávolításával hatalmas, több terabájtos memóriabankok építhetőek ki, vagyis a tárolóiparban ismertté vált tárolórétegezésbe az operatív tárat, vagyis a DRAM-ot is be lehetne vonni az SSD-k, HDD-k és szalagos egységek elé.

Ennek egyik következménye, hogy teljesen függetleníthető a processzorok száma, vagyis a feldolgozási kapacitás, és a rendkívül gyorsan hozzáférhető, és közvetlenül bitmanipulálható adatok tömege - ez a törekvés megfigyelhető már most is az iparban, például az IBM eX5 chipset lehetővé teszi, hogy külön memóriabővítő fiókokat adjunk a rendszerhez, anélkül, hogy növelnénk a foglalatok számára, így egy négyfoglalatos, 32 magos géphez 1,5 terabájt memória társítható már most is. A másik triviális lehetőség a korábban soha nem látott méretű UMA SMP-konfigurációk (unified memory access symmetric multiprocessing) hozhatóak létre, vagyis egységes, centralizált hozzáférésű memórián osztoznak a processzorok.

Ha egy ilyen architektúrát logikailag particionálunk, vagyis a memóriabankot nem egyetlen rendszerképhez rendelünk hozzá, hanem akár több ezer gép kapja meg a maga kisebb szeletét, akkor ez azzal is jár, hogy radikálisan átalakul a hálózati architektúra is, mivel a gépek közti kommunikáció a memóriabankon belüli adatcserével valósulna meg, másolással, megosztással, vagy a memóriaterület átengedésével. Ezzel olyan adatközponti számítógép-architektúrák születhetnének, amelyek teljesen dinamikusan rendelhetnek adott feladathoz erőforrásokat, a töredék processzortól és néhány száz megabájt memóriától a több ezer processzorig és több tera- vagy akár petabájt memóriáig.

Talán az évtized második felére

Az Intel szilícium-optikai technológiája már közel áll ahhoz, hogy kereskedelmi tömegtermelésre alkalmas legyen, előbb azonban tovább kell fokozni annak mutatóit, hogy vonzóvá tegye azt a számítógép architektúrákat és chipeket tervezők számára is. Az Intel egyaránt tervezi az egyes csatornák felgyorsítását, valamint a multiplexenkénti csatornák számának növelését. A jelenlegi 12,5 Gbps csatornasebességről a jövőben 25, 40, de akár 100 Gbps-ra is lehet majd fokozni a sávszélességet, miközben a csatornák számát akár 32-re növelni, így másodpercenként több terabites nyers átviteli sebesség is elérhető egyetlen chippel, vagyis több száz GB/s effektív sávszélesség - mindezt egyetlen, hajszálvékony üvegszálon, akár több méteres távolságban. A kereskedelmi alkalmazás azonban a további fejlesztések, optimalizációk, valamint a chipfejlesztések ciklusának többéves hossza miatt 3 éven belül nem várható.