Новостной и аналитический портал "время электроники". Фотоника

Сегодня оптические соединения используются преимущественно на уровне устройство-устройство или в оптических сетях. Их основные составляющие и принципы функционирования рассмотрены в одном из предыдущих . Однако существуют еще три категории межкомпонентных соединений - плата-плата, микросхема-микросхема и внутрисхемные связи, главная трудность реализации оптических соединений для которых заключается в необходимости объединить оптические и электронные функции на общей полупроводниковой подложке. Эту задачу, возможно, решит кремниевая фотоника, использующая созданные на основе кремния материалы для генерирования, передачи, управления и детектирования света.

Побудительные причины

Интерес к разработке оптических каналов связи на уровне плат был вызван созданием лезвийных серверов. Здесь очевидным объектом для применения оптических технологий является соединительная панель (backplane). Обычно на ней реализуются высокоскоростные соединения типа точка-точка или многоточечные с типичной длиной до 1 м. К ключевым преимуществам оптических соединительных панелей относятся низкие перекрестные помехи и большая полоса пропускания. Однако многие из сегодняшних оптических соединительных панелей скорее похожи на коммутационные. В них был продемонстрирован ряд оптических технологий, включая полимерные световоды, построенные на кремнии, ленточные, интегрированные с лазерами поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), планарные цепи световодов и фотодиоды. Но ни одна из них, за исключением некоторых нишевых приложений, не заменила медные соединения.

Трудно предугадать, прекратится ли гонка частот тактирования в процессорной индустрии, ведь экстраполируя закон Мура, можно ожидать к концу 2010 г. появления чипов с тактовыми частотами около 10 GHz. Однако и при существующих частотах становится все труднее обеспечивать необходимую полосу пропускания в печатных платах или модулях на базе медных шин. Было показано, что потери на печатных платах стандарта FR-4 (Flame Resistance 4) с медной разводкой быстро растут при частотах свыше 1 GHz, при этом ухудшается отношение сигнал/шум и появляются ошибки в синхронизации. Вдобавок перекрестные помехи ограничивают плотность разводки. Высокоскоростные оптические каналы длиной до 10 см между микросхемами имеют ряд преимуществ по сравнению с медными. У них меньшие потери при большей полосе пропускания, кроме того, они не подвержены перекрестным электромагнитным помехам. В последние 20 лет были предложены оптические технологии для преодоления ограничений медной проводки, однако относительно высокая стоимость и использование экзотических материалов сделали их неприемлемыми для широкомасштабного производства.

Разработка электрических связей внутри интегральных микросхем, функционирующих на частотах в несколько гигагерц, также постоянно усложняется. В такой ситуации становятся потенциально привлекательными оптические каналы с типичной длиной менее 1 см. Этому способствуют следующие причины:

снижение времен задержек по сравнению с использованием медных проводников;
большая полоса пропускания, не сдерживающая рост тактовых частот транзисторов;
пониженное электропотребление;
нечувствительность к электромагнитным помехам.

Однако сегодня работы по интеграции оптики и электроники не только пребывают на начальных этапах, но и весьма дороги по сравнению с традиционными технологиями на базе меди.

Весьма интенсивно ведет исследования в этой области Intel, подход которой к решению проблемы базируется на кремниевой фотонике. Основными строительными блоками предлагаемой интегральной платформы здесь являются настраиваемый лазер с внешним резонатором (External Cavity Laser - ECL), кремниевый модулятор, кремний-германиевый фотодетектор и недорогая технология взаимосвязей.

Кремниевые источники света

Хотя лазеры на базе кремния еще недостижимы, работы над такими источниками света, излучающими в видимом и инфракрасном диапазонах, широко ведутся во всем мире. Кремниевые источники являются одной из органических частей для монолитной интеграции, поскольку позволяют изготовить на едином субстрате и оптические элементы, и управляющую электронику. При использовании кремниевых световодов излучение должно быть в инфракрасном диапазоне с длиной волны более 1,1 мкм, поскольку именно в этом окне потери минимальны.

В настоящее время большинство исследований ведется в направлении использования эффекта электролюминесценции - излучения, получаемого в результате электрической накачки. До тех же пор, пока надежные и эффективные кремниевые излучатели не будут получены, рассматривается возможность гибридной интеграции, т. е. применения некремниевых источников света, соединяемых с кремниевыми световодами.

Трудность в изготовлении кремниевых источников света вызвана наличием запрещенной энергетической зоны с непрямыми переходами. Это приводит к тому, что вероятность безызлучательных переходов (в частности, рекомбинации Оже) становится выше, чем с эмиссией света.

Чтобы получить инфракрасное излучение, в кремний нужно ввести соответствующие примеси, например эрбий. Кремниевые световоды с примесью эрбия излучают в инфракрасном диапазоне, если дополнительно легировать их кислородом для образования оптически активных ионов в решетке. Однако данный тип устройств имеет существенный недостаток: хотя интенсивность излучения бывает относительно велика при 100° К, при комнатных температурах она резко падает.

Следующий путь повышения эффективности выхода света в кремнии - снижение количества безызлучательных переходов при рекомбинации электрон-дырка. Этого достигают посредством уменьшения диффузии носителей к центрам безызлучательной рекомбинации в решетке, что увеличивает вероятность переходов с излучением света. Один из способов такого ограничения, совместимый с технологией СБИС, основан на применении нанокристаллов. Другие средства предусматривают использование квантовых колодцев в GeSi или дефектов кристаллической решетки.

Для получения излучения с другими длинами волн можно включать примеси, отличные от эрбия. Например, тербий обеспечивает излучение с длинами волн 0,98 и 0,54 мкм. Однако время жизни и надежность таких устройств для применения их в практических целях слишком низки.

Еще одно ограничение для всех типов кремниевых источников света с прямым током - низкая скорость прямой модуляции - порядка 1 MHz. Это значит, что для создания высокоскоростных каналов они требуют внешних модуляторов.

Архитектура устройства

Работы по созданию кремниевых источников света продолжаются, однако они еще далеки от завершения. И до тех пор, пока не появится надежный и эффективный кремниевый источник света, интегрированные системы фотоники будут нуждаться в традиционных материалах III-V групп таблицы Менделеева.

Приведем, вслед за Intel, пример, как могут быть использованы лазер с внешним резонатором и кремниевый световод с решеткой Брэгга в качестве фильтра для генерируемого кристаллом групп III-V света с целью получения нужной длины волны для оптических коммуникаций. Сильный термооптический эффект в кремнии можно применять для настройки генерируемой волны.

Решетка Брэгга изготавливалась травлением на пластине «кремний на изоляторе» (SOI) множества бороздок размером 1,2×2,3×3,4 мкм. Затем, после соответствующей обработки, детали которой мы опускаем, решетка Брэгга помещалась в световод. ELC строился посредством стыка световода, содержащего решетку Брэгга, с чипом усилителя. Резонатор формировался между решеткой Брэгга, служащей зеркалом с одной стороны, и чипом усилителя с 90%-ным отражающим покрытием, образующим зеркало с противоположной стороны. Световод с решеткой Брэгга стыковался с усилительным чипом под углом 8°, что вместе с неотражающим покрытием уменьшало эффективную отражательную способность грани до 10-5. Генерируемый луч выходил с той грани лазерного диода, на которую было нанесено 90%-ное отражающее покрытие, и попадал в конус одномодового оптоволокна с линзой (рис. 1). Линза служила для увеличения связи между оптоволокном и лазером. Для лучшего понимания принципа работы лазера с внешним резонатором с использованием решетки Брэгга приведем его схему на более традиционных компонентах (рис. 2).

Кремниевые модуляторы

Итак, выше был описан настраиваемый лазер на базе сложного полупроводникового диода групп III-V и кремниевой решетки Брэгга. Однако лазер на выходе дает непрерывную волну, которая не несет информации. Для передачи данных по оптическим коммуникационным каналам необходим оптический модулятор. Такие устройства с частотой модуляции выше 1 GHz в типичном случае изготовлялись либо из сегнетоэлектрических кристаллов ниобата лития (LiNbO3), либо из сложных полупроводников с множеством квантовых ям, где используется локализованный эффект Штарка (расщепление спектральных линий атома под действием внешнего электрического поля) или эффект электроабсорбции. Частота модуляции в этих устройствах достигает 40 GHz.

Потребность рынка в недорогих решениях стимулировала разработки модуляторов на базе кремния. К тому же кремниевая фотоника позволяет получать монолитные интегрированные оптические элементы на базе КМОП-технологии.

Многими исследовательскими центрами были предложены и продемонстрированы кремний-базированные оптические модуляторы. Мы приведем здесь экспериментальный вариант устройства на основе интерферометра Маха-Цендера (МЦИ). Благодаря оригинальной разработке фазосдвигающей схемы на базе МОП-конденсатора, встроенного в пассивный кремниевый волновод МЦИ, для длины волны 1,55 мкм удается достичь частоты модуляции 2,5 GHz.

Схематическое изображение МЦИ приведено на рис. 3. Входящий свет расщепляется на две равные части и направляется в два плеча интерферометра. Каждое из них может содержать активную секцию, которая с помощью прикладываемого напряжения незначительно изменяет скорость распространения света в плече. За счет этого на выходе получают сдвиг фаз лучей, что вследствие интерференции приводит к колебаниям интенсивности в результирующем луче.

Кремниевые фотодетекторы

Последним активным компонентом, который должен быть встроен в полностью кремниевую оптическую платформу, является фотодетектор. Кремниевые фотодетекторы уже получили широкое распространение для приложений, использующих видимый диапазон света (0,4-0,7 мкм), например, в цифровых камерах и сканерах, вследствие своей высокой эффективности для этих длин волн. Однако большинство полупроводниковых лазеров, применяемых в коммуникациях, работают в ближней инфракрасной области, обычно 850, 1310 и 1550 нм, в диапазоне, в котором кремний является прозрачным, т. е. плохим детектором. Самый распространенный способ увеличения тока выхода кремниевых фотодетекторов заключается в добавлении германия, что приводит к уменьшению ширины запрещенной зоны и увеличению длины волны детектируемого света.

На рис. 4 приведено сечение фотодетектора на базе световодов из SiGe, разработанного Intel. Он выполнен на той же платформе SOI, что и ранее рассмотренный модулятор. Слой SiGe расположен на вершине кремниевого наплыва световода.

Первый вариант детектора в качестве поглощающего свет материала использовал 18 квантовых ям на базе Si0.5Ge0.5. Чувствительность для некоторых устройств достигала 0,1 А/В при длине волны света 1316 нм. Разработчики полагают, что путем некоторых усовершенствований чувствительность может быть повышена до 0,5 А/В. Полоса пропускания была ниже 500 MHz вследствие значительного сдвига валентной зоны, что препятствовало транспорту дырок. Однако полагают, что этот недостаток может быть исправлен за счет изменения состава пленки. Моделирование показывает, что пропускная способность может достигать 10 Gbps.

Исследования в области планарной оптики на основе кремния ведутся во многих лабораториях мира в течение уже нескольких десятилетий, однако промышленные образцы еще не получены. Тем не менее в последнее время наблюдается существенный прогресс в понимании актуальных проблем и возможных способов их решения.

Квантовые ямы

Квантовой ямой называется потенциальная яма, которая ограничивает движение частиц. Попадая в нее, частицы, ранее свободно перемещавшиеся в трехмерном пространстве, могут двигаться только в плоской области, по сути, в двухмерной. Эффект ограничения движения проявляется в том случае, когда размер квантовой ямы становится сравнимым с де-бройлевской длиной волны носителей (обычно электронов или дырок). Рассмотрим на качественном уровне, как создается квантовая яма.

Как известно, в соответствии с зонной теорией, энергетический спектр полупроводника состоит из трех зон (снизу вверх): валентной, запрещенной и зоны проводимости. Если поместить тонкий слой полупроводника с узкой запрещенной зоной между двумя слоями полупроводников с широкими запрещенными зонами, то электроны зоны проводимости среднего тонкого слоя, у которых энергия ниже уровня энергии широких запрещенных зон прилегающих полупроводников, не смогут проникнуть сквозь потенциальный барьер, образованный ими. Таким образом, два гетероперехода ограничивают движение электронов с двух сторон, т. е. электроны оказываются запертыми в одном направлении. Можно сказать, что движение электронного газа в квантовой яме становится двухмерным.

Как сообщил Джастин Раттнер (Justin Rattner), главный специалист по технологиям и глава Corporate Technology Group корпорации Intel: «Мы опытным путем продемонстрировали, что производственные технологии, совместимые с технологией разработки кремниевых CMOS-элементов, позволяют создавать полупроводниковые оптические устройства. Доказательство этого факта стало огромным достижением, однако для дальнейшего развития данного технологического направления необходимы не менее значимые шаги. Теперь нам нужно научиться интегрировать устройства кремниевой фотоники в стандартные компоненты компьютеров; пока еще мы не умеем делать этого. Но в то же время мы продолжаем активно работать вместе с подразделениями, занимающимися разработкой различных видов продукции, чтобы предложить производителям модели использования полупроводниковой фотоники в решениях Intel».

Исследователи из корпорации Intel разработали первый в мире полупроводниковый чип, способный производить высококачественный непрерывный лазерный луч. Восемь лазеров интегрированы в одну кремниевую микросхему.

Кремниевая фотоника как средство устранения узких мест на пути к эре тера-вычислений

Кремниевая фотоника – важнейшая составная часть долговременной стратегии развития Corporate Technology Group, направленной на ускорение перехода к тера-вычислениям. Дело в том, что по мере развития многоядерных процессоров, обладающих огромной вычислительной мощностью, перед инженерами возникают новые проблемы. Например, потребность в скорости обмена данными между памятью и процессором скоро превысит физические ограничения, накладываемые медными проводниками, а скорость передачи электрических сигналов станет меньше, чем быстродействие процессора. Уже сейчас производительность мощных вычислительных систем, зачастую, ограничивается скоростью обмена данными между процессором и памятью. Сегодняшние технологии передачи данных рассчитаны на гораздо меньшую пропускную способность по сравнению с фотоникой, а с увеличением расстояния, на которое передаются данные, скорость передачи становится еще меньше.

«Необходимо привести скорость передачи данных между компонентами вычислительной платформы в соответствие с быстродействием процессоров. Это действительно очень важная задача. Мы видим кремниевую фотонику в качестве решения этой проблемы, и потому проводим в жизнь исследовательскую программу, которая позволяет нам занимать передовые позиции в этой области», - заявил заслуженный инженер-исследователь корпорации Intel Кевин Кан (Kevin Kahn).

Испытания опытного образца оптического модуля памяти показали, что для доступа к памяти сервера может использоваться не электричество, а свет.

Группа под руководством ведущего исследователя Intel в области оптики Дрю Элдуино (Drew Alduino) занимается созданием системы оптической связи между процессором и памятью для платформ Intel. Уже создана тестовая платформа на базе полностью буферизованной памяти FB-DIMM, на которой загружается и запускается Microsoft Windows. Действующий опытный образец является доказательством возможности подключения памяти к процессору с помощью оптических линий связи без ущерба для производительности системы.

Создание коммерческой версии подобного решения несет огромные преимущества для пользователей. Оптические системы связи позволят устранить узкое место, связанное с разницей в пропускной способности памяти и скоростью процессора, и повысить общую производительность вычислительной платформы.

От исследований – к реализации

В лаборатории Photonics Technology Lab, которой руководит заслуженный инженер-исследователь корпорации Intel Марио Паниччиа (Mario Paniccia), было доказано, что все компоненты для оптических коммуникаций – лазер, модулятор и демодулятор – можно изготовлять из полупроводников на базе имеющихся производственных технологий. В PTL уже были продемонстрированы важнейшие компоненты кремниевой фотоники, работающие с рекордной производительностью, включая модуляторы и демодуляторы, обеспечивающие скорость передачи данных до 40 Гбит/с.

Для реализации технологии полупроводниковой фотоники необходимы шесть основных компонентов:

лазер, испускающий фотоны;
модулятор для преобразования потока фотонов в поток информации для передачи между элементами вычислительной платформы;
волноводы, играющие роль «линий передачи» для доставки фотонов к местам назначения, и мультиплексоры для объединения или разделения световых сигналов;
корпус, особенно необходимый для создания сборочных технологий и недорогих решений, которые можно будет использовать при массовом производстве ПК;
демодулятор для приема потоков фотонов, несущих информацию, и их обратного преобразования в поток электронов, доступный для обработки компьютером;
электронные схемы для управления этими компонентами.

%%%
Вопрос реализации всех этих компонентов оптической связи на базе полупроводниковых технологий повсеместно признан важнейшей исследовательской проблемой, решение которой приведет к огромному техническому прорыву. Лаборатория PTL уже установила ряд мировых рекордов, разработав высокопроизводительные устройства, модуляторы, усилители и демодуляторы, обеспечивающие скорость передачи данных до 40 Гбит/с. В течение следующих пяти лет корпорация Intel будет искать пути для интеграции этих компонентов в реальную продукцию.

Один из ключевых компонентов кремниевой фотоники – модулятор, обеспечивающий скорость передачи до 40 Гбит/с.

В области полупроводниковой фотоники Intel уже вышла на финишную прямую. Исследования в области интеграции оптических элементов уже перешли от стадии научных или технологических разработок к этапу создания коммерческой продукции. Исследовательская группа теперь занимается определением возможностей и спецификаций для проектирования новаторской продукции на базе этой революционной технологии. В конечном счете специалисты Intel создают опытные образцы и тесно сотрудничают с подразделениями, занимающимися разработкой различных видов продукции, чтобы ускорить внедрение новой технологии.

Кроме собственной деятельности, корпорация Intel финансирует некоторые наиболее перспективные исследования в этом направлении вне CTG - в частности, сотрудничает с Калифорнийским университетом в Санта-Барбаре, который занимается разработкой гибридного полупроводникового лазера. В лаборатории PTL также проходят стажировку талантливые выпускники различных университетов из других стран.

Ведущий исследователь Intel в области оптики Ричард Джонс (Richard Jones) считает: «На текущую перспективу перед нами стоят две важнейшие задачи по реализации проекта гибридного полупроводникового лазера. Во-первых, мы должны перенести опытное производство гибридных лазеров из Калифорнийского университета на завод Intel. Во-вторых, нам предстоит объединить гибридный лазер, высокоскоростной полупроводниковый модулятор и мультиплексор, чтобы доказать, что мы можем создать единый оптический передатчик на базе производственной технологии, совместимой с CMOS».

Внедрение технологий кремниевой фотоники будет включать разработку новых производственных процессов для изготовления лазеров в крупносерийных масштабах. Успехи корпорации Intel в области фотоники позволят ей существенно опередить потенциальных конкурентов. Лаборатория PTL уже зарегистрировала около 150 патентов. Самые престижные издания, такие как Nature, отметили небывалые достижения специалистов Intel. Кроме того, в 2007 году корпорация Intel была удостоена награды EE Times ACE Award за самую перспективную новую технологию.

В погоне за фотонами

В отличие от имеющихся прочно устоявшихся и отработанных десятилетиями процессов производства транзисторов, технология создания элементов для полупроводниковой фотоники является полностью новой. На пути ее внедрения стоят определенные проблемы: оптимизация устройств, повышение надежности конструкции, отработка методологии испытаний, обеспечение энергоэффективности, разработка сверхминиатюрных устройств.

Испытательный стенд для 40-гигабитного кремниевого лазерного модулятора

Одной из важнейших проблем является оптимизация, ведь лаборатория PTL разрабатывает оптические устройства для массовой вычислительной техники. Пока нет другой подобной продукции, стандартов и других точек отсчета, инженеры, разрабатывающие новый технологический процесс, сами ищут решения, наилучшим образом удовлетворяющие потребности компьютерных применений.

В настоящее время группа исследователей лаборатории PTL, относительно небольшая по меркам фотоэлектроники, постепенно переключается на коммерциализацию решений полупроводниковой фотоники и рассчитывает, что массовое внедрение этой невероятной технологии может начаться уже в 2010 году.Группа специалистов по оптике из подразделения Digital Enterprise Group (DEG) под руководством Виктора Крутала (Victor Krutul) занимается разработкой приложений, которые обеспечат базу для становления новой технологии. «Мы верим, что благодаря освоению оптических коммуникаций продукция Intel и дальше будет соответствовать закону Мура», - говорит Крутал.

Когда для переноса информации между компонентами одной вычислительной платформы и между разными системами будут использоваться не электроны, а фотоны, свершится очередная компьютерная революция. Ведущие производители электронной техники во всем мире уже подключились к этой гонке, стремясь получить конкурентные преимущества. Значимость новой технологии можно сравнить с изобретением интегральных схем. Специалисты корпорации Intel лидируют в этих исследованиях и в разработке компонентов на базе полупроводниковой фотоники.

Минувший 2007 год был очень успешным для развития многих технологий Intel, в том числе и в области кремниевой фотоники. Последние прорывные достижения Intel в этой сфере журнал MIT Technology Review сравнил с тройным выигрышем на скачках – так обозреватели ведущего издания оценили серию официальных анонсов корпорации. Как сообщил Джастин Раттнер (Justin Rattner), главный специалист по технологиям и глава Corporate Technology Group корпорации Intel: "Мы опытным путем продемонстрировали, что производственные технологии, совместимые с технологией разработки кремниевых CMOS-элементов, позволяют создавать полупроводниковые оптические устройства.

Доказательство этого факта стало огромным достижением, однако для дальнейшего развития данного технологического направления необходимы не менее значимые шаги. Теперь нам нужно научиться интегрировать устройства кремниевой фотоники в стандартные компоненты компьютеров; пока еще мы не умеем делать этого. Но в то же время мы продолжаем активно работать вместе с подразделениями, занимающимися разработкой различных видов продукции, чтобы предложить производителям модели использования полупроводниковой фотоники в решениях Intel".

Кремниевая фотоника как средство устранения узких мест на пути к эре тера-вычислений

Испытания опытного образца оптического модуля памяти показали, что для доступа к памяти сервера может использоваться не электричество, а свет

"Необходимо привести скорость передачи данных между компонентами вычислительной платформы в соответствие с быстродействием процессоров. Это действительно очень важная задача. Мы видим кремниевую фотонику в качестве решения этой проблемы, и потому проводим в жизнь исследовательскую программу, которая позволяет нам занимать передовые позиции в этой области", - заявил заслуженный инженер-исследователь корпорации Intel Кевин Кан (Kevin Kahn).

От исследований – к реализации

Для реализации технологии полупроводниковой фотоники необходимы шесть основных компонентов:

лазер, испускающий фотоны;
модулятор для преобразования потока фотонов в поток информации для передачи между элементами вычислительной платформы;
волноводы, играющие роль "линий передачи" для доставки фотонов к местам назначения, и мультиплексоры для объединения или разделения световых сигналов;
корпус, особенно необходимый для создания сборочных технологий и недорогих решений, которые можно будет использовать при массовом производстве ПК;
демодулятор для приема потоков фотонов, несущих информацию, и их обратного - преобразования в поток электронов, доступный для обработки компьютером;
электронные схемы для управления этими компонентами.

Вопрос реализации всех этих компонентов оптической связи на базе полупроводниковых технологий повсеместно признан важнейшей исследовательской проблемой, решение которой приведет к огромному техническому прорыву. Лаборатория PTL уже установила ряд мировых рекордов, разработав высокопроизводительные устройства, модуляторы, усилители и демодуляторы, обеспечивающие скорость передачи данных до 40 Гбит/с. В течение следующих пяти лет корпорация Intel будет искать пути для интеграции этих компонентов в реальную продукцию.

Ведущий исследователь Intel в области оптики Ричард Джонс (Richard Jones) считает: "На текущую перспективу перед нами стоят две важнейшие задачи по реализации проекта гибридного полупроводникового лазера. Во-первых, мы должны перенести опытное производство гибридных лазеров из Калифорнийского университета на завод Intel. Во-вторых, нам предстоит объединить гибридный лазер, высокоскоростной полупроводниковый модулятор и мультиплексор, чтобы доказать, что мы можем создать единый оптический передатчик на базе производственной технологии, совместимой с CMOS".

В погоне за фотонами

Чтобы новые компоненты можно было использовать на практике, специалисты PTL должны убедиться в том, что оптические компоненты удовлетворяют исключительно высоким критериям надежности, принятым в производстве вычислительной техники. В оптической промышленности строгие стандарты надежности разрабатывались десятилетиями. В соответствии с ними перед началом серийного выпуска новой продукции требуются месяцы испытаний. Если в процессе этих длительных испытаний будут выявлены проблемы, их исправление и повторное тестирование могут значительно задержать выход продукции на рынок.

Группа специалистов по оптике из подразделения Digital Enterprise Group (DEG) под руководством Виктора Крутала (Victor Krutul) занимается разработкой приложений, которые обеспечат базу для становления новой технологии. "Мы верим, что благодаря освоению оптических коммуникаций продукция Intel и дальше будет соответствовать закону Мура", - говорит Крутал.

Не 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. 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 .

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.

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.

Кремниево-фотонная микросхема, ставшая результатом десяти лет исследований, способна передавать данные с помощью световых импульсов на скорости до 100 Гбит/с. При испытаниях дистанция передачи достигала двух километров.

Свет позволяет передавать данные быстрее, чем медные кабели, которыми в центрах обработки соединяют системы хранения, сетевое оборудование и серверы. Кремниево-фотонный чип даст возможность связывать высокоскоростными волоконно-оптическими соединениями серверы и суперкомпьютеры будущих поколений, в которых между вычислительными узлами нужно переносить огромные объемы данных.

В IBM свою технологию разрабатывают с расчетом на продвижение в ЦОД, а в ПК или карманных устройствах в скором времени ее ждать не стоит, отметил Уилфирд Хенш, старший менеджер подразделения IBM по кремниевой фотонике.

Технологии кремниевой фотоники способны кардинально изменить принципы развертывания серверов в ЦОД благодаря возможности отделения друг от друга блоков обработки, памяти и хранения. В результате такого разъединения приложения смогут работать быстрее, а затраты на комплектующие уменьшатся за счет консолидации вентиляторов и блоков питания.

Ввиду роста применения систем машинного обучения и обработки Больших Данных сегодня увеличиваются потребности в вычислительной мощности серверов. При наличии оптических межсоединений десятки процессоров могли бы взаимодействовать в пределах одной серверной стойки, что облегчило бы распределение задач для многоузловой обработки, полагает Ричард Доерти, директор по исследованиям The Envisioneering Group.

С оптическими межсоединениями серверы можно было бы, подобно накопителям, легко заменять без прерывания работы в зависимости от потребностей в вычислительной мощности, добавил он.

Свет уже используется для дальней передачи данных в сетях связи, но волоконно-оптические технологии недешевы. Оптические кабели также поддерживаются интерфейсом Thunderbolt, который используется в «Маках» и ПК для высокоскоростного обмена данными с периферийными устройствами.

Технология кремниевой фотоники IBM дешевле и рассчитана на более короткие дистанции, чем оптическое оборудование телекоммуникационных сетей, утверждает Хенш.

В Intel тоже создали кремниево-фотонные чипы для ЦОД, но корпорация не сумела выдержать анонсированные сроки выпуска. IBM, возможно, и не первая, кто предложил кремниево-фотонный передатчик, но ее технология более жизнеспособна и менее сложна, чем у Intel, полагает Доерти.

По его словам, чип IBM проще и дешевле в производстве и имеет простую структуру, тогда как решение Intel требует дополнительных физических компонентов.

В самой Intel однако утверждают, что ее оптические модули интегрированы и имеют преимущества с точки зрения тестирования и стоимости.

Чипы двух компаний совершенно по-разному передают данные, и каждый имеет свои плюсы. Чип IBM рассчитан на передачу по одиночному волокну по четырем каналам с разной длиной волны, тогда как технология Intel лучше масштабируется, позволяя увеличивать количество жил в кабеле, указал Доерти.

У Intel есть оптические кабели MXC, имеющие до 64 жил, скорость передачи по каждой - 25 Гбит/с. Но увеличение количества волокон может обходиться дорого, а одножильный вариант от IBM при меньшей стоимости может отвечать требованиям многих ЦОД с точки зрения скорости и дистанции, добавил Доерти.

В IBM не уточнили, когда ее кремниево-фотонные чипы могут поступить на рынок.