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Bringt Licht in den Computer
Forscher von IBM haben kürzlich einen nanoskaligen Silizium-Switch angekündigt, der Billionen von Datenbits pro Sekunde innerhalb eines optischen Netzwerks leiten kann. Der Switch könnte es ermöglichen, die Geschwindigkeit und Bandbreite eines Telekommunikationsnetzes in einen Personal Computer zu integrieren, so die Forscher. Dies ist ein immer wichtigeres Ziel für Ingenieure, die nach dem besten Design für zukünftige Multicore-Maschinen suchen – Computer mit mehr als einem Rechenzentrum.
Verkehr steuern: IBM hat Silizium-Switches entwickelt, mit denen der Datenfluss in optischen On-Chip-Netzwerken gesteuert werden kann. Jeder der acht Schalter oben besteht aus fünf ringförmigen Resonatoren. Das Bild wurde mit einem optischen Mikroskop aufgenommen.
Der Fortschritt gibt Forschern mehr Kontrolle darüber, wohin Bits in einem optischen Netzwerk geleitet werden, das kleiner als ein Fingernagel ist. Wir sprechen davon, ein Terabit pro Sekunde durch einen einzigen Switch zu leiten, sagt William Green, ein IBM-Forscher, der an dem Projekt mitgearbeitet hat. Diese Leistung ist vergleichbar mit der, die von sehr großen Racks mit montierten Geräten für Telekommunikationsfaseroptik erreicht wird.
Die heutigen Spitzencomputer verfügen über zwei oder vier allgemeine Verarbeitungskerne, aber innerhalb des nächsten Jahrzehnts erwarten Ingenieure, Computer mit Dutzenden von Kernen zu bauen. Eines der Hauptprobleme bei der Herstellung einer Maschine mit vielen Kernen besteht darin, dass es unklar ist, wie alle Kerne effizient miteinander und mit anderen Komponenten des Computers kommunizieren können, die sich außerhalb des Chips befinden, beispielsweise dem Speicher. Derzeit wird all diese Kommunikation über Metalldrähte durchgeführt, die in Chips und Leiterplatten geätzt sind. Aber Drähte haben einen intrinsischen Widerstand, der die Datengeschwindigkeit begrenzt. Darüber hinaus können die fließenden Elektronen elektrische Interferenzen und Wärme erzeugen, die zu Rechenfehlern führen können.
Optische Geräte und Wellenleiter, die in das gleiche Silizium eingebaut sind, das zur Herstellung von Chips verwendet wird, sind vielversprechende Alternativen zu elektronischen Komponenten und Metalldrähten. In den letzten Jahren gab es eine Flut von Aktivitäten in diesem Bereich, der als Siliziumphotonik bekannt ist, von IBM, Intel, Sun Microsystems, Hewlett Packard, MIT, der Columbia University und der University of Southern California, um nur einige zu nennen. Forscher haben ständig immer effizientere siliziumbasierte Geräte entwickelt, wie Laser, Modulatoren, die Daten auf Licht kodieren, Detektoren und Filter, die Signale auf ihrem Weg durch ein Netzwerk bereinigen. Tatsächlich hat Sun Microsystems kürzlich einen Auftrag über 44 Millionen US-Dollar vom US-Pentagon erhalten, um Ansätze zum Ersetzen von Metalldrähten durch Lichtstrahlen zu untersuchen.
Obwohl viele Teile für optische Intracomputer-Netzwerke erforderlich sind, ist die Ankündigung eines Switches von IBM ein wichtiger Schritt, um ein solches System praktikabel zu machen. Es gab viele Fortschritte in der Siliziumphotonik, sagt Cooler Bergmann , Professor für Elektrotechnik an der Columbia University, aber der Switch von IBM ist sehr wichtig, um optische Netzwerke auf Chips herstellen zu können. Da das Gerät eine Reihe verschiedener Lichtwellenlängen zu verschiedenen Teilen eines Chips oder des Systems leitet, müssen Ingenieure nicht Punkt-zu-Punkt-Wellenleiter zu jedem Ziel in einem System bauen. Auf diese Weise können Sie Photonen effizienter erzeugen und an mehrere Ziele weiterleiten, sagt Bergman.
Der Wechsel von IBM, der in einem kürzlich erschienenen Artikel in . beschrieben wird Naturphotonik , besteht aus verbundenen, schwingenden Ringen, die in Silizium geätzt sind. Die Ringe sind nur 200 Nanometer groß – viel kleiner als die Abmessungen von Glasfasern, die normalerweise Licht transportieren. Wenn der Schalter eingeschaltet wird, werden Elektronen zu einem bestimmten Ring geschickt. Diese Elektronen verändern die Art und Weise, wie der Ring schwingt, wodurch Licht effektiv am Durchtritt gehindert wird. Das Licht prallt vom Resonator ab und wird in eine andere Richtung reflektiert.
Das Design sei aus mehreren Gründen einzigartig, erklärt Green. Erstens filtert der Schalter das Licht nicht basierend auf seiner Wellenlänge, im Gegensatz zu Schaltern, die in Telekommunikationsnetzen verwendet werden, die bestimmte Lichtarten zu bestimmten Zielen leiten müssen. Und je mehr Wellenlängen des Lichts durch ein On-Chip-Netzwerk gelassen werden, desto mehr Bandbreite steht zur Verfügung.
Ein zweites Unterscheidungsmerkmal, so Green, ist, dass der Switch von IBM einer Temperaturschwankung von etwa 30 °C standhält, was entscheidend für die Zuverlässigkeit des Netzwerks ist. Innerhalb eines jeden Mikroprozessors, sagt Green, bewegen sich Hotspots auf der Oberfläche des Chips als Funktion der Zahlenverarbeitung. Wenn diese optischen Verbindungen über die gesamte Oberfläche verteilt sind, müssen die Ingenieure sicherstellen, dass die Hotspots die Eigenschaften der Geräte nicht verändern, damit die Daten unverändert an jedem Ende des Chips ankommen. Die Temperaturbeständigkeit des Schalters ist laut Green zum Teil darauf zurückzuführen, dass mehrere Wellenlängen des Lichts durchgelassen werden. Wenn der Schalter die Temperatur ändert, ändert er auch seine Eigenschaften, was dazu führt, dass einige Wellenlängen des Lichts blockiert werden. Da der Schalter jedoch dafür ausgelegt ist, ein breites Spektrum zu routen, kann er auch in einer Umgebung mit variabler Temperatur funktionieren.
Green sagt, dass es fünf bis zehn Jahre dauern könnte, bis dieser Schalter seinen Weg in eine kommerzielle Maschine findet. IBM hat bereits ultrakleine optische Siliziummodulatoren hergestellt, aber es wird Jahre dauern, den Modulator, den Schalter und andere Komponenten in die Chipelektronik zu integrieren.
Tatsächlich bringt das Versprechen der Siliziumphotonik eine neue Herausforderung mit sich: Wie man einen Computer so umgestalten kann, dass er mit Licht statt mit Elektronen kommuniziert. Wie gestaltet man ein vernetztes Netzwerk, das die Optik wirklich ausnutzt? fragt Bergmann. Sie können den Netzwerkdesign-Regeln der Elektronik nicht folgen, sagt sie. Es gibt viele Dinge, die sich im Laufe der Zeit dramatisch entwickeln werden.