Radikális változásokat hoz a chipre integrált lézer

Történelmi mérföldkövet ért el az Intel, miután sikeresen oldotta meg a hibrid szilícium-lézer chipre integrációját. Ezt felhasználva a jövőben olyan chipek, például processzorok is gyárthatóak tömegesen és olcsón, amelyek extrém sávszélességű integrált optikai összeköttetéssel rendelkeznek.

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 jelentik, 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 demonstráció 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 a 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 rendelheznek adott feladathoz erőforrásokat, a töredék processzortól és néhány száz megabájt memóriától a több ezer processzorig és több terabájt 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.