Кремниевая фотоника и гипермасштабируемые компьютеры станут основой следующей информационной революции

Картинки по запросу кремниевая фотоникаНе исключено, что когда-нибудь средствами кремниевой фотоники весь огромный ЦОД можно будет превратить в единый гипермасштабируемый компьютер, а если принять во внимание достигнутые к тому времени успехи в области искусственного интеллекта, то несложно представить себе нечто наподобие Океана на Солярисе, описанного Станиславом Лемом. Пока же нынешние серверы и ЦОДы по своему состоянию напоминают ПК в их бытность до появления SATA и USB: внутри — нескладные ленточные кабели, снаружи — последовательные и параллельные порты для мыши, клавиатуры и колонок.

Картинки по запросу кремниевая фотоника

Но уже в 2025 году картина станет иной: все будет унифицировано и подключено по оптоволокну, что обеспечит качественно иной подход к целому ряду задач, в частности, к масштабированию и высокопроизводительным вычислениям. И все это станет возможным благодаря достижениям в области кремниевой фотоники.

Кремниевой фотоникой называют синергию двух групп технологий — электроники и оптики, которая позволяет принципиально изменить систему передачи данных на расстояниях от миллиметров до тысяч километров. По значимости результат внедрения кремниевой фотоники сравнивают с изобретением полупроводников, потому что ее внедрение позволяет еще на много лет вперед сохранить действие закона Мура, составляющего базис развития информационных и коммуникационных технологий.

Тем, кому интересны фундаментальные основы этого направления, можно порекомендовать вышедшую в 2017 году научно-популярную книгу «Кремниевая фотоника — источник следующей информационной революции» (Daryl Inniss, Roy Rubenstein “Silicon Photonics: Fueling the Next Information Revolution”). Более серьезные введения в кремниевую фотонику — книга «Silicon Photonics III: Systems and Applications» группы авторов и «Silicon Photonics: An Introduction» (Graham T. Reed, Andrew P. Knights). Также на эту тему есть несколько полезных материалов на сайте компании Mellanox.

Отличие традиционной архитектуры ЦОДа от схемы с использованием кремниевой фотоники

Как это работает

Если же ограничиться практическими приложениями к компьютингу, то, как и в случае с электроникой, оптику и физику твердого тела можно оставить в стороне. Для понимания на системотехническом уровне достаточно самых поверхностных сведений о предмете. Казалось бы все очевидно: последовательность электрических сигналов преобразуется передатчиком T в последовательность оптических сигналов. По кабелю она попадает в приемник R, который возвращает им электрическую форму. В качестве источников света могут использоваться несколько типов лазеров, а для передачи одно- или мультимодальные кабели.

Схема передачи сигналов

Но не стоит забывать о научной и инженерной сложности проблем, возникающих при реализации принципов кремниевой фотоники. О ней можно судить хотя бы по тому, что первые экспериментальные работы в этом направлении датируются еще серединой 80-х годов ХХ века, попытки коммерческих разработок были сделаны в начале 2000-х годов, а первые коммерческие результаты были получены только после 2016 года. Сорок лет… При том, что практическое использование оптоволоконной связи началось в середине шестидесятых, а экспериментальные работы — намного раньше.

Суть проблемы материалов на основе кремния заключается в невозможности работать на тех же частотах, которые используются в волоконной оптике, а использовать альтернативные материалы практически невозможно по экономическим причинам. В существующие технологии полупроводникового производства вложены колоссальные средства. Для реализации принципов кремниевой фотоники их нужно адаптировать к существующим технологиям. Решением может быть включение в состав микросхем миниатюрных приемников и передатчиков и прокладка между ними соответствующих волноводов. Это сложнейшая инженерно-техническая задача, которая по состоянию на 2017 год решена.

Раньше других это удалось сделать Intel – корпорация уже предложила свои продукты рынку. Вскоре следует ожидать объявлений от IBM, за ними последуют Mellanox, Broadcom, Ciena, Juniper и ряд других крупных компаний. Параллельно скупаются добившиеся успеха стартапы. Процесс пошел, но не быстро. Трудности вызваны тем, что создание новых продуктов требует значительных средств и времени, что дает преимущества крупнейшим вендорам.

Четыре уровня коммуникаций

Технологии кремниевой фотоники уже сегодня позволяют создавать 100 Гбит Ethernet, а в обозримом будущем 400 Гбит и 1 Тбит. Такие скорости обмена данными открывают возможности для конвергенции современных архитектур в качественно новые — на уровне стойки RSA (Rack-Scale Architecture) и на уровне ЦОДа ESSA (Extended-scale system architecture). Предел первой ограничен так называемым подом (одной или несколькими стойками), вторая охватывает весь ЦОД. Компоненты этих инфраструктур связываются удаленно по шине PCIe (PCIe-bus interconnects at a distance).

Средствами силиконовой фотоники создается иерархическая система коммуникаций, разделенная на 4 уровня:

Уровень 1 «Чип»: Внедрение технологий кремниевой фотоники внутрь чипа интересно по нескольким соображениям:

  • Чипов существенно больше, чем стоек, следовательно, потребность в приемниках и передатчиках велика, и эти технологии будут быстро развиваться.
  • Существенно повысятся скорости обмена вне чипа, поэтому могут заметно измениться принципы системного проектирования.
  • В отдаленной перспективе можно представить, что и между компонентами чипа могут использоваться оптические коммуникации, например для обмена между ядрами. Но на таких коротких расстояниях медь надолго сохранит свои позиции.

Уровень 2 «Платформа»: Платформой для сборки ЦОДов могут быть традиционные 19-ти дюймовые стойки или сборки из них, называемые подами (от английского pod — оболочка, контейнер, сборка ракетных двигателей). Атомами, из которых собираются платформы, становятся отдельные чипы, в прошлом остаются такие компоненты, как серверы и классические материнские платы. Переход от серверов к платформам получил название дезагрегации серверов, ему посвящена отельная публикация TAdviser.

Уровень 3 «ЦОД»: Дальнейшее продвижение дезагрегации на уровень ЦОДа станет возможным при увеличении области действия кремниевой фотоники на дистанцию от 500 метров до 10 километров.

ЦОД можно будет рассматривать как единую вычислительную мощность (single computing entity) и собирать в нем серверы по требованию.

Уровень 4 «Телеком»: При передаче данных на дальние расстояния и внутри городской среды (metro) оптика давно и успешно используется. Применение кремниевой фотоники не приведет к каким либо радикальным переменам, но возможно повысится эффективность и качество. По оценкам аналитиков, в 2018 году заканчивается период затишья, и в 2019-21 годах наступит переломный момент, за которым последует широкое распространение кремниевой фотоники.

Источник: http://www.tadviser.ru/

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!