Intel занимается разработками в области кремниевой фотоники уже 15 лет. Как и практически везде в современной электронике, когда-то всё начиналось с создания отдельных компонентов, которые со временем становились компактнее и производительнее и всё больше интегрировались друг с другом. Теперь компания готова перейти к следующему шагу, так называемой интегрированной фотонике (Integrated Photonics), которая позволит внедрить оптические компоненты непосредственно в чипы.
Комплекс для оптических приёма и передачи данных должен иметь несколько ключевых элементов: источник света и его детектор, модулирующий для (де-) мультиплексирования, носитель сигнала и его усилитель, а также электронную обвязку и технологию упаковки всего этого добра воедино. Всё это уже давно реализовано в аппаратуре для волоконно-оптических сетей связи — сама Intel уже поставила порядка 4 млн оптических трансиверов класса 100G и, уже довольно давно, обещает появление 400G-решений.
Но конечная цель, как уже неоднократно заявлялось, интеграция «оптики» в «кремний», то есть использование оптических линий связи внутри сервера, а не за его пределами — между отдельными его компонентами и внутри самих чипов. Однако при уменьшении масштаба до такого уровня возникает масса проблем с компактностью, энергопотреблением и собственно интеграцией с другими полупроводниковыми компонентами. Теперь для перехода к интегрированной фотонике, по словам компании, всё почти что готово — в составе прототипа реализованы пять «столпов» интегрированной кремниевой фотоники.
Первый из них — кольцевые модуляторы, которые в тысячу раз меньше аналогичных решений. Именно их размер определяет возможность включения их в состав чипов. Работают же они довольно просто: кольцо-резонатор, куда попадает свет, управляется электрическими импульсами и может быстро менять оптические свойства, свободно пропуская или задерживая световой поток. Таким образом формируются «нули» и «единицы», кодирующие сигнал. Аналогичный подход используется, к примеру, в разработках Imec.
На один световод можно «навесить» несколько таких модуляторов — четыре, восемь, шестнадцать и более — и настроить каждый из них на определённую длину волну. Вместе они образуют привычную WDM-схему. Источником света, и это ещё два «столпа», являются полупроводниковый лазер, способный выдавать поток одновременно на четырёх длинах волн, объединённый с усилителем, сделанным из того же материала, что упрощает производство и снижает стоимость.
Но тут кроется одна «хитрость» — модулятор одновременно может быть и фотодетектором для волн длиной 1,3-1,6 мк! Причём, что очень важно, сделан он из кремния, не германия или индия — это ещё один «столп». И, смотри выше, это тоже упрощает и удешевляет процесс производства. Фотодетектор уже сейчас может работать на скорости до 112 Гбит/с, хотя такая цифра наводит на мысли, что ограничение сверху тут носит не физический характер, а появляется из-за других компонентов.
Наконец, последний «столп» — это интеграция всех компонентов воедино в рамках уже имеющихся техпроцессов. В частности, в демонстрации 100G-трансивера было упомянуто, что он состоит из двух слоёв, расположенных друг над другом (3D-упаковка) и объединённых медными проводниками: нижний отвечает за фотонику и включат лазеры и модуляторы, а верхний представляет собой обычную CMOS-микросхему. Последняя отвечает за связь с другими чипами, а также управляет модуляторами, которые весьма чувствительны к изменениям температуры.
Зачем всё это нужно? Замена электрических соединений на оптические позволит снизить выводов чипа, повысив при этом пропускную способность и снизив энергопотребление. При этом сами электрические соединения, помимо очевидного ограничения на длину подключений, имеют ещё и предел по энергоэффективности — при текущем росте к скорости соединений недалёк тот момент, когда на питание линий связи будет уходить больше энергии, чем на собственно вычисления.
Уже сейчас наметилась тенденция к заметному увеличению числа контактов в сокете, значительная часть которых уходит на PCIe и DDR. Для последней в качестве альтернативы предлагаются последовательные интерфейсы вроде OMI, а вот линий PCIe всё равно не хватает. Поэтому современные ускорители обзавелись выделенными интерфейсами, например, NVLink и Infinity Fabric, для прямого обмена данными между собой.
Однако они не слишком хорошо масштабируются за пределы шасси, потому опять-таки что ограничены шиной PCIe, которая требуется сетевым адаптерам. Гигантскую разницу в пропускной способности самих чипов и объединяющих их сетей призвана устранить программа DARPA FastNIC. Есть у DARPA и программа PIPES (Photonics in the Package for Extreme Scalability), которая прямо нацелена на развитие интегрированной фотоники. В ней, в частности, участвуют Intel и Xilinx (после оформления покупки, видимо, уже AMD).
В рамках своих разработок в области интегрированной фотоники Intel пока что ставит относительно скромные цели, желая добиться пропускной способности в 1 Тбит/с на волокно, энергоэффективности 1 пДж/бит и длины линий связи до 1 км. В перспективе — получение скоростей в десятки и сотни терабит в секунду на сокет. Этого будет достаточно для прямого подключения процессоров и других вычислений устройств напрямую друг к другу в рамках целого ЦОД, что кардинально поменяет подход к сбору, хранению, передаче и обработке информации.
Источник:
