沒有線的電路板：在奈米級用光傳輸資料
(2009-01-23 12:27:57)
標籤：環形
共振器光傳輸
光探測器
摩爾 通道
惠普 hp
it
分類：最新科技
以下這篇文章是由惠普資訊和量子系統及百萬億億（exascale）次計算實驗室發布的最新科研內容介紹。光子學是通過光進行資訊傳輸的一門科學，這種連線方式被稱為光子互聯。這門學科真正解決了一直困惑it業界的乙個問題——在晶元的尺寸、半導體的特徵尺寸越來越小的情況下，不可避免的出現的功耗過大的問題。
目前人類的解決辦法是，既然晶元不能更小了，就採取多核的辦法來提高計算效能。不過隨著多核時代的到來，多核之間的通訊再次造成了功耗的上公升，如何解決晶元之間的互聯問題？
惠普的科學家認為，如果金屬連線已經到達了極限，也許我們人類該把目光轉向光鏈結，就從根本上解決了這個問題。這次介紹的就是惠普在實驗室裡實現的乙個奈米級的光導管，中間比較亮的光環，表現的是目前可以用乙個奈米量級的u型環來做成的光開關。
大家都知道，資訊載到乙個載體上，比如我們把0和1載到光上，是靠這種開關的方式。開啟就是1，關上就是0。如果可以用這種奈米級的技術做成乙個這樣的開關，就能把數字資訊載到光的載體上。
惠普的作法
光子傳輸最早是被應用在橫跨世界各大洋的光纖電纜上，而後被用於全國性的、本地的超高速資料網路，最近開始被用到辦公室級別的網路中。
目前，惠普實驗室的研究人員正在研究如何實現計算機內部的光子互連。其中乙個實驗小組正在開發一種可以在乙個伺服器內部用光學方法連線刀片機的技術，甚至可以讓光在處理器之間沿著伺服器電路板上的小「波導管」執行，而另乙個實驗小組則把眼光放得更遠。
「在未來10年內，那些使用常規雷射（或垂直腔面發射雷射器，vcsel）將電子訊號轉換為光的連線，如果資料傳輸的速度與他們所連線的伺服器的處理速度一樣的話，就將會遇到麻煩。」惠普實驗室的物理學家ray beausoleil說。
「這是因為依照摩爾定律，處理器未來將不斷以指數級擴充套件其資料處理能力。」beausoleil說：「在未來的5到7年內，傳統的雷射和目前正在使用的尺寸相對較大的波導管，將無法跟上處理器的發展速度。」
他告訴我們，乙個解決方案就是：在晶元上採用光子學——而這，只可在奈米級別上通過光來實現。
缺乏足夠的空間
摩爾定律假定，未來處理器將不斷以指數級的速度擴充套件其資料處理能力。舉個例子，如果今天的處理器需要的通訊頻寬為每秒10gb，那麼在未來10年內，一些計算機應用預計就會需要每秒10tb的速度，比現在提高1000多倍。
現有處理器之間的電子連線最多只能是線性的擴充套件，而目前尚在構思階段的光子互連，也不可能超過每秒幾百個gb。因此，在未來10年內，我們需要將數以百計這樣的互連裝置與每秒10tb的晶元進行連線，以確保聯結器不會成為乙個資料瓶頸。
「所有你需要的光學裝置，如光發射、聚焦、重聚焦和光檢測，都要占用一定的空間。」beausoleil指出：「你只要看看這些伺服器中能有多大的空間可以用來做互連技術，你就不難了解現有互連技術不能滿足要求。」
眾多不同波長的光波
有什麼辦法能夠用一種線性擴充套件的技術來趕上另一種以指數增長的技術呢？
你可以最大限度減小單個光發生器的尺寸，以及減小把光轉換成資料的光探測器的尺寸，但是，這不能從根本上解決問題。beausoleil說，其他還需要做的是，「把更多資料載入到所使用光線波的頻譜中。」
電信公司已經在這樣做了，這就是所謂的「密集波分復用（dwdm）」法——把許多不同波長的光（被分割為大約5億分之一公尺）在同一根光纖中進行傳輸。
那麼，我們是否可以在比傳統光纖細數千倍的乙個光通道（即所謂的「波導管」）內做同樣的事情呢？
「如果我們用乙個奈米級的波導管傳送大約64個不同波長光，」beausoleil解釋說，「如果每個波長的光能夠支援每秒10gb的傳輸速率，那麼就立刻有了乙個能以每秒640gb的速度傳輸資料的一條『電線』」。
通過這兩張圖，可以看到我們改變紅色光線頻率時的情況。當它被調整成與那個環形圈的共振頻率一致的時候，環形圈就會變亮，同時位於u型波導底端右側的那個亮點會變暗。當我們想要用這些環形圈中的乙個作為調節器的時候，我們不需要調整光，而是可以調整環形圈的「折射率」，即通過向環形圈的矽當中輸入電荷來實現這一點。我們所需要做的就是改變萬分之一的折射率，這樣就可以改變環形圈大約萬分之一的共振頻率。因此，通過增加電荷，我們可以移動環形圈的共振頻率，那麼光就能夠繼續沿著波導前進。如果你能夠在10ghz下做到這一點，你就能獲得乙個10gb的調節器。
微小的火環
這就是原理所在。但是在實踐中要怎樣實現呢？
惠普公司的解決方案是利用矽的乙個特性，即它所具備的可調共振器的能力。這意味著它可以借助少量輸入電荷，來相對準確地改變在其內部傳輸的光的速度。因此，如果光在乙個包含超小環形圈的微型矽通道中傳輸，這個環形圈就變成了光傳輸的「交通燈」。只需要向這個特定尺寸的環形圈輸入少量的電荷，它就可以阻止某一特定頻率的光的傳輸。釋放電荷，又可以再繼續進行傳輸。
「當光傳輸被這個環形圈中止時，」beausoleil解釋說，「在波導管的末端，你看到的是乙個邏輯0；當環形圈被調到非共振狀態，光被允許通過到波導管時，那就代表邏輯1。這樣就創造了乙個光調製器。」
這種光開關可以做到很高速度。例如，在10ghz下，你可以以每秒100億位的速度傳輸資料。
世界上最小的環形共振器
惠普實驗室的研究人員還證明了在乙個小到難以置信的尺寸下實現上述工作是完全可能的。
「我們已經做出了直徑最小達3微公尺的高質量的環形圈，這個是世界紀錄。」beausoleil稱。同樣重要的是，惠普實驗室的研究小組還證明了沿著乙個小波導管在小於一公釐的空間可以實現64個微型環形共振器。如果傳輸64個不同波長的光，則每個環形圈都可以被「調整」為乙個針對某一特定頻率的開關或是調製器。
「這64個環形圈中的每乙個都可以以每秒10gb的速率實現光調製，」beausaleil說。「於是，用僅占用十分之一公釐的環形圈，我們就可以實現每秒640gb的傳輸速度。」
設定優先順序
故事到這裡還遠沒有結束。
「我們現在真正需要做到的是，」beausoleil說，「把64組，每組64個調製器放到乙個波導管上。」
不僅如此，為了提高它們的工作效率，有時還需要讓這64個環形圈中的一組比另外63個具有更高的優先順序。決定哪個輸出通道可以得到優先權——這個過程被稱為「判優」，這是處理器已經在做的事情。但是，一般的作法是通過傳送乙個電子訊號進行許可詢問，然後得到乙個返回的許可訊號，但這樣無疑會降低效率。
惠普實驗室的研究小組已經發明了乙個運用光學的判優方法——採用乙個微小的光探測器，看看訊號是否可以通過。
「光學判優系統實質上是乙個模擬光學計算機，」beausoleil說，「它與所有數位電路並行執行，從而大規模減少了因為延遲帶來的問題。」
研究的挑戰
雖然惠普實驗室的光學研究小組已經在驗證了很多想法，但是在奈米級光子互連技術被應用到商業伺服器之前還有許多任務作要做。
不僅電荷可以改變光在矽中的傳輸速度，熱也同樣可以改變它，所以任何通過矽微型環狀共振器進行通訊的處理器都必須有個複雜的溫度調節系統，以便使環形圈可以得到適當的調諧。
另外，還需要開發高效光探測器，它可以輕鬆讀取奈米級微型環狀共振器產生的光脈衝。
晶元程式設計可能出現的大變化
如果這個研究團隊取得成功，他們將使處理器之間的連線方式與處理器保持同樣的發展速度。由於奈米光子互連也可以被用於連線多核處理器（今天最常見的處理器）的核心，所以這項研究也將改變計算機晶元的製造和程式設計。
採用電子互連的處理器很難在乙個多核晶元的快取中獲得**或資料，這意味著，當處理器發展到有乙個、兩個、四個，現在是八個核心時，對它們進行程式設計已經變得非常困難。
「但是如果採用我們的架構，」beausoleil說，「所有的記憶體將與所有的核心保持相同的距離。因此，程式設計師不必擔心**或資料在**，而是在最高端別進行並行操作。我認為，這將徹底改變現有的程式設計方法。」
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