IT-Day

Компания Intel продолжает вести разработки в области кремниевой фотоники, где главной ее целью остается подготовка технологии, позволяющей полностью отказаться от использования медных проводников для передачи информации внутри интегральной микросхемы. Это должно резко повысить производительность кристаллов при обработке данных, а следовательно, резко повысится производительность «фотонных» центральных процессоров. Впрочем, технология обещает найти свое применение не только внутри интегральных микросхем, но и для организации каналов передачи информации внутри одного компьютера, и даже между отдельными серверами в дата-центрах. Последнее достижение инженеров Intel теоретически позволяет передавать информацию на скорости до 50 Гбит/с, с возможностью в будущем повысить эти цифры еще в двадцать раз – до одного терабита в секунду.

Ранее инженерам уже удавалась создать систему передачи информации на скорости до 10 Гбит/с, тогда компания Intel утверждала, что фотоника способна на гораздо большее – вплоть до скоростей в несколько гигабит в секунду. Разработчики медленно, но верно приближаются к заветной цели, и вот уже достигнут рубеж в 50 Гбит/с.

Передача информации осуществляется между двумя модулями – источника сигнала (передатчик), и его приемника. Между ними данные передаются посредством оптоволокна. На первый взгляд вся система кажется очень простой, но более глубокое изучение указывает на сложнейшую систему генерации сигнала, модуляции, передачи/приема сигнала, демодуляции и преобразования в последовательность единиц и нулей. Для того, чтобы вся система функционировала инженерам пришлось пройти долгий путь, разработав множество отдельных компонентов, которые затем объединили в единый работоспособный механизм. Основными этапами развития проекта стали:

Но мало просто создать конкретные компоненты будущей системы передачи данных. Нужно научиться объединять их в рамках одной интегральной микросхемы, что само по себе является сложнейшей задачей для инженеров-технологов.

Схема передачи информации выглядит следующим образом. Четыре гибридных лазера постоянно излучают электромагнитные волны с длиной 1290 нанометров, 1310 нанометров, 1330 нанометров и 1350 нанометров. Далее имеющееся лазерное излучение кодируется при помощи четырех модуляторов, по одному для лазерного излучения с определенной длиной волны. Работа модулятора управляется при помощи поступающего на его вход цифрового сигнала – в результате цифровой сигнал преобразуется в электромагнитное лазерное излучение со строго определенными характеристиками. Затем четыре «пучка света» попадают на четыре входа мультиплексера, на выходе которого объединенный световой «пучок» с закодированной информацией. Именно в таком виде данные попадают в оптоволокно, на выходе из которого находится демультиплексер. Основная задача последнего – разделение единого светового «пучка» на четыре отдельных, соответствующих определенной частоте лазерного излучения. После демультиплексера лазерное излучение добирается до конечной цели своего путешествия – четырех фотодетекторов, где оптическое излучение преобразуется в цифровой сигнал привычного вида – определенная последовательность единиц и нулей.

На представленных четырех диаграммах читатель может видеть результаты работы каждого из компонентов «фотонной» системы передачи информации. На первой диаграмме (верхняя левая) представлены четыре спектра излучения с длиной волны 1290 нанометров, 1310 нанометров, 1330 нанометров и 1350 нанометров, источником которого являются четыре гибридных лазера. Правая верхняя диаграмма получена на основе данных с осциллографа, установленного перед оптоволокном – именно в таком виде закодированная информация попадает в оптоволокно и, соответственно, в таком же виде, пусть и немного искаженном, она добирается и до демультиплексера. Две нижние диаграммы как раз и показывают работу демультиплексера – единый поток данных в виде светового пучка (правая диаграмма) попадает на демультиплексер, который эффективно разделяет его на четыре пучка со строго определенной длиной волны (левая диаграмма).

Итак, кодирование, передача, получение данных, их расшифровка выполняются следующими основными компонентами: четырьмя гибридными лазерами, модуляторами, мультиплексором, оптоволокном, демультиплексором, четырьмя фотодетекторами. В данной схеме элементами, ограничивающими пропускную способность канала передачи информации, так называемым «бутылочным горлышком», являются модуляторы/демодуляторы. Каждый из них способен кодировать информацию на скорости до 12,5 Гбит/с, а чтобы добиться пропускной способности в 50 Гбит/с инженеры разместили на одной интегральной микросхеме сразу четыре пары гибридных лазеров и модуляторов/демодуляторов. Потрясающий результат инженеров Intel, но на этом исследователи останавливаться не планируют. Указанная схема позволяет развивать «фотонную» систему передачи данных сразу в двух направлениях. Во-первых, повышая возможности пары лазер/модулятор – повысив их производительность до 25 Гбит/с можно повысить пропускную способность канала до 100 Гбит/с. Во-вторых, можно увеличить количество лазеров/модуляторов, например, до восьми – пропускная способность канала также возрастает до 100 Гбит/с. Разумеется, дальнейшее повышение количества пар лазер/модулятор и повышение производительности модуляторов позволит увеличить пропускную способность канала передачи информации и свыше указанной отметки, до нескольких сотен гигабит в секунду. Самое интересное, что инженеры рассчитывают проводить усовершенствование системы в обоих направлениях, одновременно пытаясь интегрировать все ее компоненты в единую микросхему. Прогнозы сотрудников Intel полны оптимизма – развивая систему оптической передачи информации в обоих направлениях удастся добиться пропускной способности в один терабит в секунду. Например, этого можно добиться, увеличив производительность каждого канала до 40 Гбит/с, при увеличении числа каналов в одной интегральной микросхеме до 25 штук.

Без сомнений, технология, представленная компанией Intel чрезвычайно интересна. Более того, пока конкуренты попросту не имеют собственных разработок в этой области, так что лидерство Intel здесь неоспоримо. Но что принесет технология оптоволоконной передачи информации на скоростях до одного терабита нам, обычным пользователям персональных компьютеров. В первую очередь это резкое повышение пропускной способности канала подключения компьютеров к глобальной сети. По расчетам, пользователи смогут скачивать из Сети сто часов музыки или полный видеофильм в высоком разрешении менее чем за секунду. И это при подключении на скорости 50 гигабит в секунду. Повысив пропускную способность канала до максимальной цифры в один терабит в секунду пользователи смогут закачивать на свои жесткие диски несколько сезонов любимых телесериалов в высоком разрешении всего за секунду.

Оптическая передача информации на основе гибридных лазеров позволит не только существенно изменить сетевую инфраструктуру, но и может внести существенные изменения в архитектуру персонального компьютера. Говоря об оптической передаче информации применительно к ПК в первую очередь вспоминается технология LightPeak, также разработанная сотрудниками компании Intel. Но в рамках этого проекта разрабатывается оптическое подключение к персональному компьютеру различного рода периферии, начиная от различного рода сетевых устройств и накопителей, заканчивая дисплеями. В последнем случае технология LightPeak может рассматриваться в качестве потенциальной замены таким интерфейсам, как HDMI и DisplayPort. Пропускная способность такого канала вполне сравнима с масштабом задач – данные могут передаваться на скорости до 10 гигабит в секунду в обоих направлениях. Другое дело, что далеко не всем устройствам (в первую очередь это касается устройств хранения информации – жестких дисков и накопителей на основе флеш-памяти) нужен столь широкий канал передачи данных. Еще только начинается переход на интерфейс SATA с пропускной способностью 6 Гбит/с, да и то, необходим он только для твердотельных накопителей – жестким дискам пока еще вполне хватает канала в 3 гигабита в секунду.

Так где в масштабах персонального компьютера может пригодиться технология оптической передачи данных на скоростях вплоть до одного терабита в секунду? Например, технология Intel вполне могла бы заменить современные интерфейсы, связывающие центральный процессор с чипсетом, модулями оперативной памяти, графическим адаптером. И совсем фантастически выглядит перспектива отказаться от привычных проводников, соединяющих компоненты одной интегральной микросхемы, в пользу технологии оптической передачи информации. Почему бы при помощи последней не объединять процессорные ядра между собой, процессор и контроллер оперативной памяти, процессор и интегрированное графическое ядро? В этом случае не только резко повышается производительность самого процессора, но и заметно снижается потребляемая им мощность.