211service.com
Licht naar computers brengen
Onderzoekers van IBM hebben onlangs een siliciumschakelaar op nanoschaal aangekondigd die biljoenen bits gegevens per seconde binnen een optisch netwerk kan sturen. De switch zou het mogelijk kunnen maken om de snelheid en bandbreedte van een telecommunicatienetwerk op te nemen in een personal computer, zeggen de onderzoekers. Dit is een steeds belangrijker doel voor ingenieurs, aangezien ze op zoek zijn naar het beste ontwerp voor toekomstige multicore-machines: computers met meer dan één verwerkingscentrum.
Verkeer regelen: IBM heeft siliciumschakelaars ontwikkeld die kunnen worden gebruikt om de gegevensstroom in optische netwerken op de chip te regelen. Elk van de acht schakelaars hierboven is gemaakt van vijf ringvormige resonatoren. De opname is gemaakt met een optische microscoop.
De vooruitgang geeft onderzoekers meer controle over waar bits naartoe worden geleid in een optisch netwerk dat kleiner is dan een vingernagel. We hebben het over het routeren van een terabit per seconde via een enkele schakelaar, zegt William Green, een IBM-onderzoeker die aan het project werkte. Dergelijke prestaties zijn vergelijkbaar met wat wordt bereikt door zeer grote racks met gemonteerde apparatuur voor telecommunicatie-glasvezel.
De topcomputers van tegenwoordig worden geleverd met twee of vier algemene verwerkingskernen, maar binnen het volgende decennium verwachten ingenieurs computers met tientallen kernen te bouwen. Een van de grootste problemen bij het maken van een veelkernmachine is dat het onduidelijk is hoe alle kernen efficiënt met elkaar en met andere componenten in de computer die buiten de chip liggen, zoals geheugen, te laten communiceren. Momenteel verloopt al deze communicatie via metalen draden die in chips en printplaten zijn geëtst. Maar draden hebben een intrinsieke weerstand, wat de datasnelheid beperkt. Bovendien kunnen de stromende elektronen elektrische interferentie en warmte produceren die rekenfouten kunnen veroorzaken.
Optische apparaten en golfgeleiders ingebouwd in hetzelfde silicium dat wordt gebruikt om chips te maken, zijn veelbelovende alternatieven voor elektronische componenten en metaaldraden. De afgelopen jaren is er een stortvloed aan activiteiten geweest op dit gebied, bekend als siliciumfotonica, van IBM, Intel, Sun Microsystems, Hewlett Packard, MIT, Columbia University en de University of Southern California, om er maar een paar te noemen. Onderzoekers hebben gestaag steeds efficiëntere apparaten op basis van silicium gemaakt, zoals lasers, modulatoren die gegevens coderen naar licht, detectoren en filters die signalen opschonen terwijl ze door een netwerk reizen. Sun Microsystems kreeg onlangs zelfs een contract ter waarde van $ 44 miljoen van het Amerikaanse Pentagon om benaderingen te onderzoeken voor het vervangen van metaaldraden door lichtstralen.
Hoewel er veel onderdelen nodig zijn voor optische intracomputernetwerken, is de aankondiging van de overstap van IBM een belangrijke stap om een dergelijk systeem praktisch te maken. Er is veel vooruitgang geboekt in siliciumfotonica, zegt Coole Bergman , hoogleraar elektrotechniek aan de Columbia University, maar de switch van IBM is erg belangrijk om optische netwerken op chips te kunnen maken. Omdat het apparaat een aantal verschillende golflengten van licht naar verschillende delen van een chip of het systeem leidt, hoeven ingenieurs geen point-to-point golfgeleiders te bouwen naar elke bestemming in een systeem. Hierdoor kun je op een efficiëntere manier fotonen genereren en naar meerdere bestemmingen sturen, zegt Bergman.
IBM's switch, die wordt beschreven in een recent artikel in Natuurfotonica , is gemaakt van verbonden, resonerende ringen die in silicium zijn geëtst. De ringen zijn slechts 200 nanometer lang, veel kleiner dan de afmetingen van optische vezels die normaal licht dragen. Wanneer de schakelaar wordt aangezet, worden elektronen naar een specifieke ring gestuurd. Deze elektronen veranderen de manier waarop de ring resoneert, waardoor het licht effectief wordt geblokkeerd. Het licht weerkaatst op de resonator en wordt in een andere richting gereflecteerd.
Het ontwerp is om een aantal redenen uniek, legt Green uit. Ten eerste filtert de schakelaar het licht niet op basis van zijn golflengte, in tegenstelling tot schakelaars die worden gebruikt in telecommunicatienetwerken die specifieke soorten licht naar specifieke bestemmingen moeten leiden. En hoe meer golflengten licht er door een on-chip netwerk worden doorgelaten, hoe meer bandbreedte er beschikbaar is.
Een tweede onderscheidend kenmerk, merkt Green op, is dat de switch van IBM bestand is tegen een variatie van ongeveer 30 °C, wat cruciaal is voor de betrouwbaarheid van het netwerk. Binnen een bepaalde microprocessor, zegt Green, bewegen hotspots zich op het oppervlak van de chip als een functie van het kraken van getallen. Als deze optische verbindingen over het hele oppervlak zijn verdeeld, moeten ingenieurs er volgens hem voor zorgen dat de hotspots de eigenschappen van de apparaten niet veranderen, zodat gegevens ongewijzigd aan elk uiteinde van de chip kunnen komen. De temperatuurbestendigheid van de schakelaar, zegt Green, is gedeeltelijk te danken aan het doorlaten van meerdere golflengten van licht. Naarmate de schakelaar van temperatuur verandert, verandert hij ook eigenschappen, waardoor sommige golflengten van licht worden geblokkeerd. Maar aangezien de switch is ontworpen om een breed spectrum te routeren, kan hij nog steeds functioneren in een omgeving met een variabele temperatuur.
Green zegt dat het vijf tot tien jaar kan duren voordat deze schakelaar zijn weg vindt naar een commerciële machine. IBM heeft al ultrakleine optische siliciummodulatoren gemaakt, maar, zegt hij, het zal jaren duren om de modulator, de schakelaar en andere componenten met chipelektronica te integreren.
De belofte van siliciumfotonica levert inderdaad een nieuwe uitdaging op: hoe een computer opnieuw te ontwerpen om met licht te communiceren in plaats van met elektronen. Hoe ontwerp je een onderling verbonden netwerk dat de optica echt benut? vraagt Bergmans. Je kunt de netwerkontwerpregels van elektronica niet volgen, zegt ze. Er zijn veel dingen die dramatisch zullen evolueren naarmate we verder gaan.