Współczesne układy scalone zużywają ogromne ilości energii na przesyłanie danych. Informacje z rdzenia procesora są przesyłane do pamięci podręcznej pierwszego, drugiego, a często i trzeciego poziomu. Tutaj straty energii jeszcze nie są duże. Znacznie gorzej sytuacja wygląda, kiedy dane muszą być zapisane w, albo odczytane z, pamięci RAM. Kiedy i RAM-u nie wystarcza, informacje trafiają na dysk twardy (HDD lub SSD). Przesłanie tej samej informacji z rejestru procesora do pamięci RAM wymaga o kilka rzędów wielkości więcej energii, niż gdyby wysłać ją do pamięci podręcznej procesora. Co można zrobić, żeby pozbyć się tego ogromnego narzutu energetycznego?

Tutaj przychodzi nam na ratunek tak zwana krzemowa fotonika (ang. silicon photonics), czyli sposób na przesyłanie informacji z wykonanego (w większej części) z krzemu procesora za pomocą fotonów, zamiast elektronów. Fotony mają tą poważną przewagę nad elektronami, że nie posiadają masy ani ładunku elektrycznego. Mają też wadę – wcale nie chcą przechodzić przez ciało stałe, choćby był to najlepiej przewodzący stop metali. Dlatego fotony przesyłać trzeba światłowodami, a do przesyłu elektronów wystarczą nawet prymitywne ścieżki drukowane na płycie głównej.

Jednak kiedy porównamy plusy i minusy okaże się, że fotony pędzące światłowodem są znacznie lepsze, niż elektrony biegnące po miedzianym drucie. Dlatego do komunikacji transoceanicznej, a często nawet i na znacznie mniejsze odległości, firmy telekomunikacyjne używają chętnie światłowodów, zamiast miedzianych kabli.

Najpoważniejszym problemem związanym z użyciem fotonów zamiast elektronów do komunikacji wewnątrz pojedynczego komputera (komunikacja pomiędzy procesorem a pamięcią RAM albo pomiędzy procesorem a kartą graficzną), okazuje się nie tyle inna infrastruktura (bo w sumie to niewielka różnica, czy z gniazda procesora poprowadzimy ścieżki na płycie głównej, czy przebiegające ponad nią światłowody), co możliwość zintegrowania źródła fotonów w samym procesorze.

Najlepsi inżynierowie z MIT, University of Colorado i University of California, opracowali metodę pozwalającą na zintegrowanie krzemowej fotoniki w układach scalonych wytwarzanych w standardowym procesie technologicznym. W innowacyjnym projekcie chodziło o to, żeby wykorzystując te same procesy fotolitograficzne, których używa się obecnie do produkcji procesorów, układów graficznych, czy kontrolerów sieci bezprzewodowych, zbudować chip, który będzie zdolny do wykonywania obliczeń i jednocześnie do przekazywania ich wyników za pomocą fotonów.

Eksperyment powiódł się w 100 procentach. Uczeni stworzyli układ składający się z około 70 milionów tranzystorów układ scalony (ilość typowa w czasach Pentium 4 i Athlonów XP lub 64), który komunikował się ze światem zewnętrznym za pomocą emitowanych z niego fotonów.

Naukowcom udało się uzyskać transfer na poziomie 300Gb/s na każdy mm2 użyty na potrzeby komunikacji. Jest to wartość około 10 do nawet 50 razy wyższa, niż w przypadku stosowanych obecnie protokołów komunikacji. Oznacza to, że przesyłanie danych za pomocą fotonów pozwoli zaoszczędzić nie tylko sporo energii, ale również umożliwi zmniejszenie rozmiaru układów scalonych.

Jak ocenia Chen Sun, jeden z autorów badania, 20-30% energii zużywanej we współczesnych centrach danych, wydatkowana jest na przesyłanie informacji pomiędzy procesorami, pamięcią oraz kartami sieciowymi. Zastąpienie stosowanych dotychczas rozwiązań służących komunikacji pomiędzy poszczególnymi elementami superkomputera, może zaowocować znaczną poprawą jego efektywności energetycznej.

[źródło i grafika: technologyreview.com]

Spodobał Ci się ten artykuł? Podaj dalej!