Новости
Новые соединения, реализующие революционную технологию ИМКС, можно назвать умными соединениями или смартлинками.
Дата публикации: 26/06/2009
Категория: Новости лазерных технологий
Версия для печати
Создание новых способов соединений - достаточно редкое явление в технике, а в фотонике особенно. Каждый новый способ соединений порождает большую группу новых устройств, использующих этот способ. И прогресс делает очередной шаг вперед.
Технология интеллектуальных многоканальных оптоволоконных соединений (ИМКС) яркий тому пример.
На базе умных соединений становится возможным создание электронной техники, обладающей свойствами регенеративности и полиморфности, самоформирующихся компьютеров и нейроэлектронных интерфейсов.
Недавно компания Intel анонсировала свои успехи в области кремниевой фотоники.
Ее ведущие специалисты считают, что эта технология позволит совершить очередную компьютерную революцию на пути к эре тера-вычислений.
В компании сравнивают значимость кремниевой фотоники с изобретением интегральных схем.
И это действительно так.
В начале 21 века в электронике обострилась серьезная техническая проблема, которую называют "тиранией межсоединений".
Она актуальна и для разработчиков микросхем, и для создателей суперкомпьютеров.
Все плоды миниатюризации стали съедать межсоединения.
Для разработчиков чипов "тирания межсоединений" сводится к тому, что из них становится все труднее и труднее выводить информацию.
Посмотрите на кристалл любого современного процессора.
Вся его монтажная поверхность полностью используется под контакты.
Но для систем с сотнями миллионов транзисторов одной-двух тысяч выводов уже явно недостаточно. Фактически достигнут предел пропускной способности электрических средств ввода-вывода в микросхемах.
Аналогичная ситуация и у проектировщиков суперкомпьютеров.
Количество установленных процессоров в суперкластерах достигает сотен тысяч штук.
Это позволяло наращивать производительность машин, но породило невообразимые сложности в их архитектуре.
Соединять быстро возрастающее количество процессоров становится все труднее и труднее.
Развитие многопроцессорных суперкомпьютеров уже подошло к критическому пределу.
В новейших разработках производительность пытаются увеличить не столько за счет количества процессоров, сколько за счет роста их единичной мощности.
В истории техники так бывает.
Например, в середине прошлого века винтовая авиация подошла к технологическому барьеру, который не позволял увеличить скорость самолетов выше скорости звука.
Как ни увеличивали мощность двигателей, как ни изменяли форму винта, скорость не росла.
И лишь с появлением реактивного двигателя, использовавшего новый принцип создания тяги, удалось сразу достичь, а затем и многократно превзойти скорость звука.
Поэтому важнейшая технологическая проблема современной электроники заключается в том, чтобы найти принципиально новый способ соединений, позволяющий легко выводить из микросхем десятки тысяч каналов и соединять в суперкомпьютерах миллионы процессоров.
Ведущие производители фотоники уже подключились к этой гонке.
Свой вклад вносит и Россия, где запатентована технология ИМКС (интеллектуапьных многоканальных оптоволоконных соединений), позволяющая совершить прорыв в области многоканапьных оптических ком-мутаций (патент Российской Федерации № 2270493).
С помощью смартлинков сложнейшие электронные устройства можно соединять произвольным образом - "как получится".
Процессор, обслуживающий соединение, переключит все каналы "как надо". Смартлинк состоит из передатчика оптошины и приемника, соединенных оптошиной.
"Умом" смартлинка является процессор, управляющий соединением с помощью коммутатора.
Основой передатчика является VCSEL-матрица, т. е. матрица вертикально излучающих лазеров.
В качестве оптошины в смартлинках используются оптоволоконные жгуты.
Обычно это тонкая трубка, в которой находятся десятки тысяч оптических волокон диаметром от 10 до 50 мкм. На каждый канал связи может приходиться группа волокон (от 4 до 100).
В одноволоконных системах огромное значение имеет числовая апертура, т. е. свойство волокна собирать лучи света.
В волокне могут распространяться только те лучи, которые инжектируются в него под углами больше критического.
В пучке одномодовых волокон апертура не имеет особенного значения.
Вследствие избыточности свет будет передан по жгуту при любых смещениях, лишь бы совпадали рабочие области матриц и жгута.
Приемником информации в смартлинках является матрица фотодиодов с прямым доступом.
Чтобы устройство работало, фотодиодов должно быть больше, чем лазеров в передающей матрице.
Работает смартлинк следующим образом.
На входы VCSEL-матрицы, расположенной в микросхеме - источнике информации, подают электрические импульсы, которые модулируют излучение лазеров.
Это излучение по оптошине поступает к матрице фотодиодов, расположенной в приемнике информации, и преобразуется в поток электрических импульсов.
Каждый фотодиод подключен к управляемому процессором коммутатору.
При соединении оптошину подключают к матрицам передатчика и приемника "как получится", совмещая лишь оптические области матриц и оптошины.
Поэтому на входы матри VCSEL-цы-приемника сигналы от лазеров поступают в перепутанном порядке.
Чтобы получить нужный порядок подключения шины, процессор в начале работы устройства соединяется с матрицей передатчика, и по особой процедуре проводит распознание каналов.
С помощью коммутатора распознанные каналы связи переподключаются на выход коммутатора в заданном порядке. Неработоспособные и дублирующие каналы отключаются.
Важно, что процедура распознания каналов и переподключения производится однократно и никак не влияет на скорость передачи информации в дальнейшем.
Если работа смартлинка нарушается, он может проводить повторные распознания каналов. Таким образом, реализуется свойство самовосстановления или регенерации.
Если в процессе работы потребуется изменить порядок подключения шины, процессор с помощью коммутатора может сделать это очень быстро.
Так реализуется свойство полиморфности.
Смартлинки решают проблему "тирании соединений" в микроэлектронике.
Они позволят выводить из кристаллов десятки тысяч высокоскоростных оптоволоконных линий связи.
Обладая компактностью при большом числе каналов, смартлинки будут лидировать в скорости передачи информации.
Например, используя всего лишь 64-лазерную VCSEL-матрицу с частотой модуляции лазеров до 20 Гбит/с, можно в перспективе получить смартлинк с оптошиной диаметром в 1 мм и фантастической производительностью - 1,28 Тбит/с.
Вследствие своих преимуществ технология ИМКС должна оказать значительное влияние на развитие суперкомпьютеров и дать сильнейший импульс развитию биокибернетики.
Все преимущества смартлинков и технологии ИМКС базируются, прежде всего, на аппаратной избыточности, а это своего рода недостаток. Для реализации ИМКС необходимо избыточное количество оптических волокон, избыточное количество фотоприемников, нужны коммутаторы и процессоры.
Они будут занимать место на кристалле, которое раньше занимали межсоединения.
Тем не менее, миниатюризация элементов микросхем, освоившая нанометровый диапазон размеров, продолжается.
Она быстро сведет этот недостаток к минимуму, а преимущества умных соединений останутся!
В кризисный период технологии ИМКС дают разработчикам шанс совершить технологический скачок.
Они открывают зарождающиеся рынки имплантируемой и полиморфной электроники, которые могут дать новый импульс развитию электронной промышленности.
А значит, нам нужно "запрягать" быстрее.
Кто не успеет, тот опять опоздает!
Опытный образец смартлинка будет готов в этом году, для него уже созданы лазерная и приемная матрицы фотодиодов.
Источник: «ФОТОНИКА», 2009, №1, с.32-39, www.electronics.ru
Статьи по теме:
