IBM разрабатывает световой компьютер

Ученые корпорации IBM достигли очередного выдающегося результата в решении проблемы передачи данных внутри компьютерного чипа с помощью световых импульсов вместо электронов, создав самый миниатюрный в мире нанофотонный коммутатор, площадь которого на поверхности кристалла почти в сто раз меньше площади поперечного сечения человеческого волоса.

Этот коммутационный элемент, который является важным компонентом управления потоками данных внутри микросхем следующего поколения, может значительно повысить производительность чипа при гораздо меньшем потреблении электроэнергии.

Сегодняшняя новость является продолжением серии открытий и разработок IBM в области внутренней оптической информационной шины компьютерного чипа:

В ноябре 2005 года ученые IBM продемонстрировали кремниевое нанофотонное устройство, которое способно значительно замедлять и активно контролировать скорость светового потока.

В декабре 2006 года аналогичное миниатюрное кремниевое устройство было использовано для демонстрации буферизации более 1 байта данных, закодированных посредством оптических импульсов. Это устройство требуется для создания оптических буферов внутренних оптических шин обмена данными в микросхеме.

В декабре 2007 года ученые IBM сообщили о разработке сверхкомпактного кремниевого волоконно-оптического модулятора, который преобразует электрические сигналы в световые импульсы, что также является необходимым условием реализации оптических информационных каналов в микросхеме.

<Эту новую разработку можно по праву считать еще одним важным шагом на пути создания оптической сети на уровне чипа, — говорит Юрий Власов, менеджер Исследовательского центра IBM им. Т. Дж. Уотсона (IBM TJ Watson Research Center) по кремниевым нанофотонным устройствам. — Принимая во внимание все успехи в этой области, достигнутые за последние несколько лет, очевидно, что наши ожидания и прогнозы относительно возможности реализации эффективных оптических каналов обмена данными в чипе становится все более и более реалистичным>.

Анонсированное сегодня достижение является очередным значительным вкладом исследователей IBM в разработку высокопроизводительных многоядерных компьютерных чипов следующего поколения, в которых обмен данными осуществляется посредством световых импульсов, проходящих через кристалл кремния, а не посредством электрических сигналов, передающихся по медным проводникам.

В статье, опубликованной в журнале Nature Photonics, IBM сообщает о разработке кремниевого широкополосного оптического коммутатора — еще одного ключевого компонента, необходимого для реализации оптических межсоединений в микросхеме. Когда электрические сигналы преобразованы в импульсы света, это коммутационное устройство берет на себя важную функцию управления внутренним<сетевым трафиком>, гарантируя, что оптические<сообщения>от одного процессорного ядра будут доставлены любому из других процессорных ядер компьютерного чипа.

Команда исследователей IBM продемонстрировала, что их нанофотонный коммутатор обладает рядом ценных характеристик, что делает его идеальным элементом для применения на<микросхемном>уровне. Во-первых, коммутатор чрезвычайно миниатюрен. На одном квадратном миллиметре можно разместить — рядом друг с другом — до 2000 таких микроустройств, что позволяет с легкостью удовлетворить требования по плотности упаковки элементов будущих многоядерных процессоров.

Во-вторых, устройство способно маршрутизировать большие объемы данных, поскольку одновременно могут коммутироваться световые потоки различной длины волны (или цветового спектра). Каждый световой сигнал определенной длины волны может<переносить>данные со скоростью вплоть до 40 Гбит/с; таким образом, оптический коммутатор может обеспечивать суммарную пропускную способность, превышающую 1 Тбит/с, что согласуется с требованиями по быстродействию обмена данными между<удаленными>процессорными ядрами компьютерного чипа. И, наконец, последнее, но не менее важное обстоятельство: исследователи IBM впервые продемонстрировали, что их оптический коммутатор способен работать в реальной среде<микропроцессора на кристалле>("on-chip") — иными словами, в условиях, когда собственная температура чипа может меняться в широких пределах вблизи<активных точек>("hot-spots" — ячеек памяти, к которым происходит одновременное обращение нескольких процессорных ядер); при этом активные точки<перемещаются>в зависимости от режима работы процессора в данный момент времени. По мнению ученых IBM, способность устойчиво функционировать в условиях больших температурных колебаний является одним важнейших требований, предъявляемых к внутренним оптическим сетям процессорного чипа.

Одно из наиболее актуальных направлений развития современной микроэлектронной индустрии — достижение высокой степени параллелизма вычислений путем реализации многопотокового режима, путем построения крупномасштабных многокристальных (multi-chip) систем и, в последнее время, путем увеличения числа ядер на одном кристалле. Так, например, процессор IBM Cell, которым оснащаются игровые приставки Sony PlayStation 3, содержит девять ядер в одном чипе. Поскольку требования к вычислительной производительности продолжают устойчиво расти, разработчики процессоров планируют увеличить число ядер до десятков или даже до сотен.

Такой подход к повышению вычислительной производительности, тем не менее, имеет смысл, если каждое ядро будет способно получать и передавать большие сообщения всем остальным ядрам процессора в параллельном режиме. Отдельные ядра современных многоядерных микропроцессоров обмениваются друг с другом данными по миллионам тончайших медных проводников. Эти медные межсоединения, однако, характеризуются значительной потребляемой (рассеиваемой) мощностью и неспособны передавать большие объемы данных, что требуется для эффективной работы многоядерных процессоров.

Исследователи IBM изучают альтернативное решение этой проблемы путем связывания ядер друг с другом с помощью световых импульсов внутренней оптической сети чипа, основанной на кремниевых нанофотонных интегральных схемах. Эта сверхминиатюрная<сеть на кристалле>, подобно разветвленной волоконно-оптической компьютерной сети, будет обеспечивать и информационный обмен между ядрами и маршрутизацию сообщений, которые кодируются импульсами света. Предполагается, что, используя свет вместо проводов, можно передавать почти в 100 раз больше информации между процессорными ядрами и расходовать при этом в 10 раз меньше мощности, выделяя, соответственно, меньше тепла.

Отчет о проделанной учеными IBM работе, озаглавленный "High-throughput silicon nanophotonic wavelength-insensitive switch for on-chip optical networks" (<Кремниевый нанофотонный коммутатор с высокой пропускной способностью и поддержкой светового потока любой длины волны, предназначенный для использования во внутренних оптических сетях интегральной микросхемы на кристалле>), подготовленный Юрием Власовым, Уильямом М. Дж. Грином (William M. J. Green) и Фэннянь Ся (Fengnian Xia) из научно-исследовательского центра IBM им. Т. Дж. Уотсона (IBM TJ Watson Research Center; Йорктаун Хейтс, штат Нью-Йорк), будет опубликован в апрельском номере журнала Nature Photonics за этот год. Данная работа выполнялась при поддержке Управления перспективных исследований Министерства обороны США (Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA) в рамках программы "Slowing, Storing and Processing Light" (<Замедление, хранение и обработка света>).