Скачать за секунду: достижения кремниевой фотоники

Автор: Олег Нечай

Опубликовано 29 июля 2010 года

Инженеры корпорации Intel создали прототип первой в мире гибридной оптической системы передачи данных на основе кремния с пропускной способностью до 50 Гбит в секунду.

Это значительное достижение в области кремниевой фотоники, напрямую связанное с перспективой создания гибридных компьютерных микросхем и целых систем с использованием оптических проводников. Кремниевая фотоника – это соединение оптических технологий с традиционными кремниевыми, широко используемыми для производства разнообразных микросхем. Ключевая особенность такой гибридной технологии заключается в преобразовании электрических сигналов в свет и обратно, то есть превращение электронов в фотоны и наоборот.

В настоящее время чипы и прочие компоненты вычислительной техники и другой электроники связаны друг с другом посредством металлических дорожек на печатных платах или просто с помощью проводов. При этом любой металл, включая медь, обладает некоторым сопротивлением, в результате чего с увеличением протяжённости проводника уровень сигнала падает. Из-за этих потерь конструкторы вынуждены располагать электронные элементы как можно ближе друг к другу. Кроме того, скорости обмена данными по медным проводам достигли физического предела – чрезвычайно сложно добиться передачи сигнала достаточной силы на сколь-нибудь значительные расстояния на скоростях в 10 Гбит/с и выше.

Созданная в лабораториях Intel экспериментальная оптическая система передачи данных на основе кремниевых лазеров позволит заменить традиционные проводники сверхтонкими и лёгкими оптическими волокнами, способными передавать огромные объёмы информации на большие расстояния без существенных потерь.

Прототип системы Silicon Photonics Link с пропускной способностью 50 Гбит/с включает в себя кремниевый передатчик и приёмник. Передатчик состоит из четырёх гибридных кремниевых лазеров и оптических модуляторов, преобразующих данные в световые лучи, способные транслировать данные на скорости до 12,5 Гбит/с каждый. Эти четыре луча соединяются в один при помощи мультиплексора и передаются по единому оптоволоконному кабелю.

Затем луч света поступает в приёмник, демультиплексор разделяет его на четыре канала, а фотодетекторы преобразуют световые потоки обратно в электрический сигнал. В процессе тестирования прототип работал в течение 27 часов без перерывов, при этом не было зафиксировано ни единой ошибки, что свидетельствует о чрезвычайной надёжности конструкции.

По словам технического директора Intel Джастина Раттнера, кремниевая фотоника найдёт применение в самых различных сферах компьютерной индустрии. Пропускная способность кремниево-оптических сетей позволит передавать трёхмерный видеосигнал на экран величиной во во всю стену с таким высоким разрешением, что будет создаваться полное впечатление присутствия в комнате актёров из фильма или собеседников по телеконференции. Компоненты информационного центра или суперкомпьютера будущего могут быть распределены по целому зданию или даже по нескольким зданиям, а связь между ними будет осуществляться на таких высоких скоростях, какие недоступны сегодня при использовании медных кабелей. Дата-центры, основанные на технологиях кремниевой фотоники, как то хранилища поисковых систем или мощности провайдеров облачных вычислений, будут заметно производительнее современных при существенном снижении затрат на аренду площадей и электроэнергию.

Раттнер назвал созданную в Intel систему со скоростью передачи данных до 50 Гбит/с подобием "прототипа двигателя", который позволяет обкатывать новые идеи и совершенствовать технологии передачи данных по оптическим каналам при помощь гибридных лазеров, изготовленных из дешёвого и простого в производстве материала – кремния. И хотя лазеры уже используются для передачи информации, современные технологии пока слишком дороги и сложны чтобы применяться в персональных компьютерах. К примеру, коммерчески доступна оптическая технология, обеспечивающая пропускную способность до 40 Гбит/с, но она обходится в несколько сотен долларов за порт. Цель Intel, по словам Раттнера, чтобы цена одного порта не превышала одного доллара.

Глава подразделения Intel Photonics Technology Lab, в котором и была разработан новая технология, Марио Паниччиа подчеркнул, что она имеет мало общего с анонсированной на IDF 2009 технологией Light Peak, которая представляет собой компонентную платформу из дискретных составляющих, и пиковая производительность которой не превышает 10 Гбит/с. В случае с Silicon Photonics Link речь идёт о системе с высоким уровнем интеграции: лазер здесь не является отдельным прибором, а составляет единое целое с микросхемой-передатчиком. Другое отличие состоит в принципиально иных скоростях – 50, 100, 200 гигабит в секунду. Но если компонентная технология Light Peak будет коммерчески доступна уже в 2011 году, то Silicon Photonics Link пока не вышла за пределы лабораторий.

Скорость в 50 Гбит/с позволяет всего за секунду загрузить, например, полнометражный фильм высокого разрешения или более ста часов музыки. Но инженеры Intel уже работают над повышением пропускной способности системы путём масштабирования скорости работы модуляторов и увеличения числа лазеров, устанавливаемых в микросхеме. В перспективе планируется добиться скорости передачи данных до терабита в секунду – этого достаточно, чтобы, например, за одну секунду передать всё содержимое накопителей современного ноутбука. Загрузка трёхмерных фильмов высокого разрешения, многоканального звука и самых сложных видеоигр будет занимать какие-то мгновения – пользователь сможет получать к ним доступ практически сразу после нажатия кнопки.

В Intel рассчитывают, что новая технология передачи данных на основе кремниевой фотоники будет реализована в коммерческих продуктах – как в компьютерных, так и в мультимедийных развлекательных системах – уже к 2015 году.