Фотонный процессор почти реальность

Гудков М.И.

Специальность «Комплексное обеспечение информационной безопасности автоматизированных систем»
Студент ДГЛ-201

Научный руководитель: ВАШ ПРЕПОДАВАТЕЛЬ.

 

«Предварительные исследования уже завершены, получены необходимые наноструктурированные материалы, и мы готовимся к созданию прототипов фотонных логических элементов, основы будущих оптических процессоров. На это потребуется несколько лет», — Юрий Чижов, заведующий кафедры фотоники физического факультета, советник проректора по научной работе СПбГУ в сфере нанотехнологий.

Исследования в данной области ведутся уже достаточно долго. За результатами, полученными до недавнего времени, следил малочисленный круг ученых, узкоспециализированный в данной области, а посвященные им материалы публиковались только в академических журналах. Информационный взрыв в этой области был предсказуем. Технология стала востребованной в различных сферах. Разработчики компьютерных комплектующих не оставили фотонику без внимания, ведь многоядерность процессоров стала неизбежна. В результате фотонные коммутаторы стали востребованными на уровне внутрипроцессорных коммуникаций [1].

С конца 2007 года стали активно появляться новости о развитии фотонных процессоров — одной из первых стала корпорация Intel, начав исследования нанофотонных коммуникаторов, заявив, что ближайшие результаты будут известны в скором времени. Следующей стала корпорация IBM, заявившая уже на тот момент, что создала нанофотонный миниатюрный коммутатор. В исследования данной технологии включилось Агентство перспективных оборонных исследований Министерства обороны США (DARPA). Принципы фотонной коммутации уже известны, а исследования проходят на протяжении последних летдесяти-пятнадцати. В первом квартале 2008 года агенство DARPA финансировало дополнительную программу по разработке высокопроизводительных нанофотонных коммутаций на уровне микросхем (Ultraperformance Nanophotonic Intrachip Communications, UNIC). В данной программе DARPA планирует профинансировать работы и изучения, направленные на обеспечение эффективных коммуникаций с тысячами и сотнями процессоров, которые впоследствии будут размещены на одном кристалле. Следует отметить, что UNIC это составная часть программы DARPA [2].

Свои первые шаги в компьютерной области оптика сделал в среде сетей. Оптическое волокно — это нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредствам полного внутреннего отражения. Данная технология применялась для передачи информации на больших расстояниях. Позже длина оптики не превышала одного метра и стала применяться для соединения серверной аппаратуры. В последствие метры превратились в сантиметры для транспортировки данных между микросхемами, а уже сегодня получили модную приставку нано-, передавая информацию внутри чипов. К неизбежности такой эволюции в коммутирующей оптике на системной плате привело к ограничению скорости передачи:16–20 Гбит/с при частоте 14-15ГГц [3].

Теперь становится легко объясним интерес к нанофотонной коммутации. До сих пор межъядерное взаимодействие происходило на основе электронов. Этот метод вполне достаточен, при количестве ядер не превышающем ста, но принципиально неоправдан при увеличении числа ядер на порядки. С количеством ядер от 7 до 8 коммутационные схемы уже занимают емкую часть площади, вследствие чего, они потребляют много энергии. В наше время необходимы технологии, отличающиеся более мощной пропускной способностью, наименьшими задержками и наибольшим энергосбережением. Именно по этим причинам необходимо сделать шаг в сторону нанооптических методов, оставив позади не совершенность электронной коммуникации. фотонной. Ведущие специалисты IBM, Sun Microsystems, Intel и NEC считают фотонику революцией, которая позволит перейти вычислительной аппаратуре на новый уровень, как когда-тооптоволокно помогло Интернету. Вот их мнение. Уилл Грин, исследователь корпорации IBM: «Нанофотонными методами удастся создать технологии, способные передавать данные на расстояния порядка нескольких сантиметров со скоростью в сто раз выше, чем по проводникам, потребляя при этом, как минимум, на порядок меньше энергии. Кремниевая нанооптика произведет примерно такой же эффект на микроуровне, какой обычная оптика — на макроуровне, где дистанция измеряется метрами и километрами. Каждое ядро будет снабжено своим оптическим модулятором, который будет существенно меньше его по своим размерам, и этот модулятор будет передавать данные по кремниевым световодам другим ядрам. Таким образом можно обеспечить взаимодействие между тысячами ядер в одном чипе, и мощность современных суперкомпьютеров станет доступной обычному пользователю лет через десять-двенадцать».

Грег Пападопулос, директор по технологиям компании Sun Microsystems: «Реализуемый в нашей компании проект предполагает сочетание методов электростатического взаимодействия между чипами Proximity Communication с оптическими методами внутри чипов. Совместно они дают возможность собрать виртуальный макрочип. Такой макрочип может бытьсуперкомпьютером, полученным посредством объединения в массив множества недорогих процессоров. При очевидной дешевизне такой массив к тому же отличается высокой пропускной способностью межсоединений, высокой скоростью обмена и низким потреблением энергии. Сочетание этих качеств открывает возможность использования высокопроизводительных вычислений самому широкому кругу потребителей. Оптические коммуникации на микроуровне можно назвать технологиями, изменяющими правила игры и экономику супервычислений».

Заслуженный инженер-исследователь корпорации Intel Кевин Кан: «Необходимо привести скорость передачи данных между компонентами вычислительной платформы в соответствие с быстродействием процессоров. 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. 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».

Как было написано выше, технология основывается на работе внутри кристалла. Чтобы организовать сетевую инфраструктуру, к счастью, не требуется создавать новые схемы передачи данных, т.к. целиком подходит традиционная, основанная на передатчике с модулятором, среды распростроения сигнала, включающей средства управления и приёмника с демодулятором. Поэтому для полноценной работы нужно иметь три важнейших компонента:

- лазер, являющийся источником фотонов;

- модулятор и демодулятор для наложения данных, передаваемых в электронной форме из процессоров, на поток фотонов, а также обратного преобразования в данных в электронную форму, доступную для обработки процессором;

- волноводы, играющие роль «линий передачи» для доставки фотонов к местам назначения, и мультиплексоры или коммутаторы для объединения или разделения световых сигналов.

Исследованиями и разработками этих компонентов занимаются ведущие державы мира в закрытых лабораториях. Информация об их наработках не так часто просачивается наружу, по ряду объяснимых причин.

Рассмотрим эти три составляющие подробнее, начиная с принципа работы кремниевого лазера, который построен на основе эффекта Рамана (индийский физик Чандерсекхара Венката Раман, нобелевский лауреат по физике в 1930 году «за работы по рассеянию света и за открытие эффекта, названного в его честь»). Благодаря этому лазер можно использовать в качестве усилителя излучения. Суть его эффекта проста — когда атомы, из которых образован кристалл, поглощают фотоны, происходит эффект вторичного излучения, состоящего из фотонов с более длинной волной. Также одним из плюсов этого лазера, является невысокий уровень тепловых потерь по сравнению с традиционными.

В 2005 году, объединив светоизлучающие свойства лазера на основе фосфида индия со способностью кремния проводить свет, инженеры корпорации IBM создали однокристалический лазер с постоянной длиной волны. Если подать напряжение на лазер, фосфид индия начнет воспроизводить поток фотонов, который далее можно передавать по кремниевому волноводу.

После создания фотонного пучка, следующим этапом является процесс модуляции, т.е. накладывания на него сигнала.Сам принцип фотонной модуляции достаточно схож с амплитудной и частотной модуляцией в радиовещание.

В 2005 году группа исследователей корпорации Intel рассмотрела небезынтересный подход к разработке модулятора, который был опубликованной в журнале Optics Express. Также подобные разработки ведет IBM, часть которых была описана в 2007 году в том же журнале — их модуляторы имеют размеры в два-три раза меньше.

Целью данного модулятора является конвертирование электрических сигналов в оптические. Для преобразование необходимо пропустить луч через затвор, который контролируется электрическими импульсами. Если затвор открыт, то свет проходит, и сигнал интерпретируется как 1, если же затвор закрыт, то света нет, следовательно передается 0. При проведения обратных преобразований световых сигналов в электрические не возникает никаких проблем, достаточно сделать устройство обратной функциональности [2].

Коммутация является не менее сложной составляющей, как и все остальные, а возможно и самой непростой. В апрельском номере Nature Photonics было описано одно из возможных решений данной проблемы группой авторов из корпорации IBM: Yurii Vlasov, William Green, Fengnian Xia.

Выходец из России, бывший научный сотрудником Санкт-Петербургского Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе, Юрий Власов утверждает: «Новая разработка станет существенным вкладом в дело создания оптических сетей на кристалле. То, что мы видим, дает основание считать такого рода сети реальностью недалекого будущего». Оптический коммутатор даёт возможность перенаправлять пучки фотонов. В решении, предложенном IBM, на одном квадратном миллиметре можно разместить около 2000 коммутирующих элементов.

Пройдет около 10–15 лет и скорее всего фотонный процессоры появятся во всех компьютерах мира и других технических устройствах, что позволит во много раз ускорить их работу.

Список литературы

1.Марк Ратнер, Даниэль Ратнер. Нанотехнология, простое объяснение очередной гениальной идеи. Москва,Санк-Петербург, Киев. 2004 г.

2.http://computerworld.ru/os/2008/04/5115024/

3.http://www.metolit.by/ru/dir/item.php/587

.

 

 

3.ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ РЕФЕРАТОВ «БЕЗОПАСНОСТЬ В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ МИРНОГО ВРЕМЕНИ»

4.ВЫБРАТЬ НОМЕР ТЕМЫ РЕФЕРАТА СОГЛАСНО ВАШЕМУ НОМЕРУ В СПИСКЕ ГРУППЫ!!!!!!