Pull to refresh
0

Начало новой эры

Reading time9 min
Views70K
Тут смотрите какое дело…

image


   Совершенствование полупроводниковых технологий не может длиться бесконечно долго – в очередной раз хочется вернуться к циклу статей (1 | 2 | 3) о производстве процессоров, а точнее, к посту о проблемах этого производства. Любая технология рано или поздно теряет свою актуальность, какой бы полезной она ни была… так что однажды настанет предел уменьшения размеров транзисторов и техпроцесса, закончится фантазия создателей новых материалов для производства систем, а закон Мура (в классической формулировке про транзисторы) станет неактуальным. И когда этот «тупик» наступит, начнется самое интересное – человечество будет мучиться в поисках альтернативных технологий. В прочем, насчет мук я, пожалуй, поторопился – практически очевидно, что на смену суетливым электронам придет световой поток, а вместо медных (серебряных и золотых) проводов будет какая-нибудь оптическая среда. Да, точно поторопился – ведь первые попытки создания оптоэлектронных (сочетающих оптические и электронные технологии) систем были предприняты еще чуть ли не столетие назад, хотя под воздействием призмы суровой реальности всё несколько затянулось.

image

   Почему вдруг полупроводниковая электроника стала «плохой»? На самом деле плохой она не стала, просто электрон хорошо, но фотон – лучше. Что такое электрический ток, который сегодня есть в любой технике? Если верить школьному курсу физики, то это упорядоченное движение заряженных частиц… в котором и заключается одна из главных проблем. Прущие как танки электроны в проводнике довольно непрактичны – как минимум теряется значительная часть их энергии, выделяясь в виде тепла и электромагнитного излучения, хотя это и не единственный минус.

   Со светом же все иначе – информация в виде светового луча может передаваться с гигантской скоростью (тут имею ввиду пропускную способность) и на не менее гигантские расстояния, в то время как потери при этом будут минимальны. Более того, обработка такой информации может осуществляться непосредственно во время ее передачи и почти без энергозатрат – можно для определенного алгоритма нагородить сложнейшую систему линз, светофильтров и прочих оптических штучек, которые входящий пучок света на выходе превратят в обработанную должным образом информацию.

   На этом преимущества оптических вычислений не заканчиваются. Можно добавить сюда крайне высокую степень параллелизации при передаче и обработке данных (за счет одновременной работы с волнами разной длинны), меньшее энергопотребление, полное равнодушие к электрическим наводкам и сложность в перехвате данных (так как в окружающее пространство ничего не излучается; еще врачи и экологи наконец-то будут спать спокойно). Интересно, почему все это раздолье до сих пор никак не вытеснит полупроводниковую электронику? На этот вопрос есть целый букет правильных ответов, которые в сумме и приводят к тому, что мы имеем сейчас.

Бескислородная медь отменяется?


Сделать оптические аналоги базовых полупроводниковых элементов не является проблемой — гораздо сложнее заставить все это работать, причем делать это правильно и быстро. Ведь в идеале для построения оптического компьютера придется отказаться от классической архитектуры фон Неймана, а значит и от одного из ее главного принципа, принципа двоичного кодирования — последовательности нолей и единиц могут стать неактуальными (хотя их запросто можно было бы передавать световыми импульсами). Гораздо эффективней будет работать с двухмерными изображениями – все это на порядки повысит параллельность вычислений (напомню, что «МГц-эра» уже прошла и на данный момент производительность тех же процессоров растет в основном только за счет параллелизации вычислений) и даст возможность обрабатывать даже самые большие объемы данных — прирост производительности может быть в 10- и даже в 20-кратном размере.

   Но… но как в таком случае банально начать работать? ) Даже если вы в совершенстве владеете навыками работы на обычном компьютере, то с оптикой придется учиться «ходить заново». Как жить с принципиально другой структурой информации, как и куда вводить какие-то данные, как и откуда получать результаты вычислений? Не так-то просто перевести данные привычного современного вида в формат, необходимый оптическому компьютеру… Впрочем, чего я переживаю – даже если оптические компьютеры и появятся в обозримом будущем, все равно они первое время будут предназначены не для домашнего использования. Но и все же, вопросов у меня пока больше, чем ответов.

image
Макет одного из зданий фабрики Intel по производству процессоров

   Нельзя забывать и про кубометры денег – судя по всему, сейчас выгодней строить фабрики (способные работать на современных техпроцессах типа 22 или даже 16 нм) стоимостью в несколько миллиардов долларов, нежели производить довольно «простые», но от того не менее дешевые, оптические компьютеры. Поэтому лучшее, что дружелюбными фотонами светит нам в ближайшем будущем – симбиоз двух эпох, то есть привычная полупроводниковая электроника, дополняющая оптику (а значит, значительно ограничивающая все ее плюсы). Примеры таких решений стали появляться года так с 1990 – именно тогда кузница нобелевских лауреатов в лице исследовательского центра Bell Labs создала первый рабочий прототип оптоэлектронного компьютера. В основу работы процессора были положены двухмерные матрицы бистабильных полупроводниковых элементов со множествами квантовых ям и электрооптическими свойствами. Освещение элементов производилось полупроводниковым лазером (мощность излучения составила 10 мВт, длина волны – 850 нм) через голографическую решетку Даммена – после прохождения света через один диод, в цепи возникал ток, что приводило к падению напряжения на структуре решетки и к повышению пропускания света через вторую структуру. Таким образом возникала обратная связь и совокупность элементов образовывала логические ячейки ИЛИ-НЕ, ИЛИ-И и т.д. Чуть позже подобные компьютеры стали появляться и в других местах, как правило, связанных с военной промышленностью, авиацией, космосом и т.д.

   Основой других устройств становились двухмерные матрицы и работало все на векторно-матричной логике, причем делалось это вполне показательно – тот же 32-разрядный RISC-процессор DOC-II (Digital Optical Computer) от компании OptiComp выполнял около 1000 двоичных операций в секунду. Сравнение станет понятней, если вы представите, что эта штука умела искать в текстовых документах заданное слово со скоростью 80000 страниц в секунду, то есть за какое-то мгновение обрабатывалось порядка 400 миллионов(!) знаков.

image
Оптический процессор DOC-II

   Если же говорить в настоящем времени, то сейчас во всем мире есть только один коммерческий продукт подобного плана – гибридный чип EnLight256 PDF от израильской компании Lenslet, способный выполнять до 8×1012 (8 тераоп) операций в секунду и в реальном времени обрабатывать до 15 потоков HD-видео. В этом оптическом процессоре данные одновременно поступают от 256 оптических входов — лучи 256 лазеров складываются или перемножаются, когда освещают специальную матрицу (пространственно-световой модулятор 256х256; размеры самого процессора при этом – 15х15 см). А выходные оптические сигналы результата вычислений считываются массивом из 256 световых детекторов… очевидно, что такие конструкции не предназначены для обычного «домашнего» применения, так что обзора в ближайшее время не ждите ) Из некоммерческих проектов сейчас существуют опытные образцы оптических процессоров, выполненных на «обычных» фабриках по технологии 65 и даже 32нм, но и с ними не так все просто.

Intel Light Peak


Первые радиолампы появились около века назад и сделали революцию. Относительно скоро им на смену пришли полупроводники, которые правят балом до сих пор… так что следующего революционного витка не избежать, но нужно понимать, что это процесс не быстрый. Большие задачи надо решать постепенно, разбив их на подзадачи – перед созданием оптических процессоров неплохо бы создать инфраструктуру, «набить руку» в более простых условиях. Чем, собственно, и занимается та компания, в блоге которой вы читаете эту статью. Разработки в области кремниевой фотоники компания Intel ведет далеко не первый день, причем на 2015 год уже запланировано массовое внедрение новых технологий. Хотя какой там 2015 год, если все началось еще пару лет назад.

image

   Я говорю про осень 2009 года, когда компания Intel представила общественности технологию для передачи данных по оптическому волокну, с интересным кодовым названием Intel Light Peak. Разработка предназначалась для соединения двух компьютеров на расстоянии до 100 метров и со скоростью до 10 Гбит/c. Может быть вас не удивляют эти цифры, но важно здесь отметить другое – по сути, эта технология стала светом в конце тоннеля, ведь первое, что нужно сделать до начала «новой эры» – отказаться от металлических проводников. Причем сделать это везде, где только возможно – не только от компьютера к компьютеру, но и даже внутри процессора. А вот уже потом можно будет браться и за программу «оптический компьютер в каждый дом». Но одним лишь интерфейсом Light Peak стратегии Intel в сфере ввода/вывода данных не ограничивается…



Intel Silicon Photonics Link


А как вам, для начала, скорость в 50 Гбит/c? Именно такую скорость (у первого опытного образца) подразумевает еще одна технология, анонсированная летом прошлого года и получившая название Intel Silicon Photonics Link. Несмотря на то, что технологии развиваются отдельно друг от друга, тут принцип действия во многом схож с Intel Light Peak. В основе работы — кремниевый передатчик и чип-приемник; оба со всеми необходимыми уникальными компонентами от Intel, включая первый гибридный кремниево-лазерный чип (HSL), а также анонсированные в 2007 году высокоскоростные оптические модуляторы и фотодатчики.

image

image
Передающий чип и чип-приемник

image
Чип фотодетектора

   Передающий чип состоит из четырех лазеров — их световые лучи попадают в оптический модулятор, который кодирует на них данные со скоростью 12,5 Гбит/с. После этого лучи комбинируются в единое оптоволокно с пропускной способностью 50 Гбит/с. На другом конце канала чип-приемник разделяет лучи и направляет их в фотодетекторы, преобразующие данные в электрические сигналы.

image

image
HSL (Hybrid Silicon Laser) — гибридный кремниевый чип-лазер

   Где может понадобиться такая скорость? Понятное дело, что сперва это будут какие-то промышленные сценарии, типа соединительных магистралей между серверами или даже датацентрами. Но когда технология станет более доступной, зуб даю, что в моде будут устройства с QuadHD-разрешением (2160p) и поддержкой 3D (хотя бы 120Гц) — так что с глубиной цвета в 48 бит новой технологии как раз будет едва хватать ) С другой стороны, ничто не мешает ее наращивать, увеличивая скорость модулятора и количество лазеров на чипе.

image

По словам исследователей, технология Intel Silicon Photonics Link позволит в будущем без проблем передавать данные на скорости до 1 Тбит/c – даже страшно представить, какие перспективы откроются при таких скоростях!

image Intel Thunderbolt


Думаю, все вы знаете, что 24 февраля 2011 года состоялся анонс технологии Intel Thunderbolt, которая «случайно» в тот же день совпала с анонсом новых ноутбуков Macbook Pro от компании Apple. Два гиганта решили объединить свои усилия, в результате чего и появился новый интерфейс, имеющий много общего с Intel Light Peak.

image

image    Intel Thunderbolt (переводится как «удар молнии») в новых макбуках – интерфейс ввода-вывода для различных периферийных устройств, который основан одновременно (в рамках одного соединительного кабеля длиной до 3 метров) на двух протоколах: Displayport для передачи изображения с разрешением свыше 1080p и до восьми аудиоканалов, и PCI-Express 2.0 4x для высокоскоростной передачи данных. Фактически, на борту новых макбуков появился внешний разъем PCI Express, о чем мечтали многие пользователи и даже производители. С новым разъемом совместимо существующее оборудование, оснащенное интерфейсом DisplayPort, причем общие разъемы подразумевают подключение нескольких устройств последовательно друг за другом («горячее» подключение поддерживается).

Теоретическая скорость передачи данных технологии Intel Thunderbolt составляет до 10 Гбит/c, но пока на практике получаются более скромные цифры — до 800 МБ/c (~6 Гбит/c). Но тоже неплохо!

image

   По сути, Intel Light Peak является универсальной технологией, способной базироваться на любом протоколе, а Thunderbolt является лишь одной из интерпретаций. То есть получается, что новая технология вполне способна конкурировать со многими проводными интерфейсами (такими как SCSI, SATA, FireWire, Ethernet, HDMI и даже USB 3.0) даже без наличия электронно-оптических и оптоэлектронных преобразователей, с медью вместо оптики. Что же будет дальше? Самому интересно.
Примечательно, что название Thunderbolt встречается довольно часто. Например, из последнего — одноименную серию мощных блоков питания выпустила компания Thortech (дочерняя от GeIL), а компания HTC на CES2011 официально представила коммуникатор-тёзку с поддержкой LTE для Verizon.

В игре Mafia2 был автомобиль Smith Thunderbolt, а в первом Quake так называлось одно из самых мощных оружий (оно же Lighting Gun). А если отдалиться от IT-сферы, то нельзя не упомянуть про два легендарных американских самолета – истребитель-бомбардировщик Republic P-47 Thunderbolt и штурмовик Fairchild Republic A-10 Thunderbolt II. Такой вот он разный бывает, этот болт!

image

Суровая реальность


Надеюсь, я смог вас убедить в том, что прогресс не стоит на месте. Скажу больше — по историческим меркам должно пройти еще совсем немного времени до того момента, когда в компьютерном мире начнутся большие перемены, так что мы, можно сказать, почти вплотную приблизились к началу новой эпохи. В интересное время живем, товарищи! Впрочем, не знаю как вам, а мне было приятно помечтать )

Если после прочтения статьи осталась непреодолимая тяга к познанию новых технологий, их принципов работы и технических особенностей, то можете начать с этого:

PDF 50G Silicon Photonics Link                                  PDF Intel Advances Silicon Photonics
    3.85 Мб, на английском языке                                  434 Кб, на английском языке
image image

PDF Intel Silicon Photonics Link                                 PDF Hybrid Silicon Laser
    219 Кб, на английском языке                                    1.43 Мб, на английском языке
image image

PDF Continuous Silicon Laser                                     PDF Optical Transceivers
    167 Кб, на английском языке                                     1.52 Мб, на английском языке
image image

LikeСкоро в блоге компании будет интересный цикл статей — не пропустите!
Tags:
Hubs:
If this publication inspired you and you want to support the author, do not hesitate to click on the button
Total votes 170: ↑141 and ↓29+112
Comments122

Articles

Information

Website
www.intel.ru
Registered
Founded
Employees
5,001–10,000 employees
Location
США
Representative
Анастасия Казантаева