没有线的电路板：在纳米级用光传输数据

没有线的电路板：在纳米级用光传输数据(2009-01-23 12:27:57)

标签：环形 共振器 光传输 光探测器 摩尔 通道 惠普 hp it  分类：最新科技

    以下这篇文章是由惠普信息和量子系统及百万亿亿（Exascale）次计算实验室发布的最新科研内容介绍。光子学是通过光进行信息传输的一门科学，这种连接方式被称为光子互联。这门学科真正解决了一直困惑IT业界的一个问题——在芯片的尺寸、半导体的特征尺寸越来越小的情况下，不可避免的出现的功耗过大的问题。
    目前人类的解决办法是，既然芯片不能更小了，就采取多核的办法来提高计算性能。不过随着多核时代的到来，多核之间的通信再次造成了功耗的上升，如何解决芯片之间的互联问题？
    惠普的科学家认为，如果金属连接已经到达了极限，也许我们人类该把目光转向光链接，就从根本上解决了这个问题。这次介绍的就是惠普在实验室里实现的一个纳米级的光导管，中间比较亮的光环，表现的是目前可以用一个纳米量级的U型环来做成的光开关。
    大家都知道，信息载到一个载体上，比如我们把0和1载到光上，是靠这种开关的方式。打开就是1，关上就是0。如果可以用这种纳米级的技术做成一个这样的开关，就能把数字信息载到光的载体上。

惠普的作法

    光子传输最早是被应用在横跨世界各大洋的光纤电缆上，而后被用于全国性的、本地的超高速数据网络，最近开始被用到办公室级别的网络中。
    目前，惠普实验室的研究人员正在研究如何实现计算机内部的光子互连。其中一个实验小组正在开发一种可以在一个服务器内部用光学方法连接刀片机的技术，甚至可以让光在处理器之间沿着服务器电路板上的小“波导管”运行，而另一个实验小组则把眼光放得更远。
    “在未来10年内，那些使用常规激光（或垂直腔面发射激光器，VCSEL）将电子信号转换为光的连接，如果数据传输的速度与他们所连接的服务器的处理速度一样的话，就将会遇到麻烦。”惠普实验室的物理学家Ray Beausoleil说。
    “这是因为依照摩尔定律，处理器未来将不断以指数级扩展其数据处理能力。”Beausoleil说：“在未来的5到7年内，传统的激光和目前正在使用的尺寸相对较大的波导管，将无法跟上处理器的发展速度。”
他告诉我们，一个解决方案就是：在芯片上采用光子学——而这，只可在纳米级别上通过光来实现。

缺乏足够的空间
    摩尔定律假定，未来处理器将不断以指数级的速度扩展其数据处理能力。举个例子，如果今天的处理器需要的通信带宽为每秒10GB，那么在未来10年内，一些计算机应用预计就会需要每秒10TB的速度，比现在提高1000多倍。
    现有处理器之间的电子连接最多只能是线性的扩展，而目前尚在构思阶段的光子互连，也不可能超过每秒几百个GB。因此，在未来10年内，我们需要将数以百计这样的互连设备与每秒10TB的芯片进行连接，以确保连接器不会成为一个数据瓶颈。
    “所有你需要的光学装置，如光发射、聚焦、重聚焦和光检测，都要占用一定的空间。”Beausoleil指出：“你只要看看这些服务器中能有多大的空间可以用来做互连技术，你就不难了解现有互连技术不能满足要求。”

众多不同波长的光波
    有什么办法能够用一种线性扩展的技术来赶上另一种以指数增长的技术呢？
    你可以最大限度减小单个光发生器的尺寸，以及减小把光转换成数据的光探测器的尺寸，但是，这不能从根本上解决问题。Beausoleil说，其他还需要做的是，“把更多数据加载到所使用光线波的频谱中。”
电信公司已经在这样做了，这就是所谓的“密集波分复用（DWDM）”法——把许多不同波长的光（被分割为大约5亿分之一米）在同一根光纤中进行传输。
那么，我们是否可以在比传统光纤细数千倍的一个光通道（即所谓的“波导管”）内做同样的事情呢？
    “如果我们用一个纳米级的波导管传送大约64个不同波长光，”Beausoleil解释说，“如果每个波长的光能够支持每秒10GB的传输速率，那么就立刻有了一个能以每秒640GB的速度传输数据的一条‘电线’”。

 

通过这两张图，可以看到我们改变红色光线频率时的情况。当它被调整成与那个环形圈的共振频率一致的时候，环形圈就会变亮，同时位于U型波导底端右侧的那个亮点会变暗。当我们想要用这些环形圈中的一个作为调节器的时候，我们不需要调整光，而是可以调整环形圈的“折射率”，即通过向环形圈的硅当中输入电荷来实现这一点。我们所需要做的就是改变万分之一的折射率，这样就可以改变环形圈大约万分之一的共振频率。因此，通过增加电荷，我们可以移动环形圈的共振频率，那么光就能够继续沿着波导前进。如果你能够在10GHz下做到这一点，你就能获得一个10GB的调节器。

微小的火环
    这就是原理所在。但是在实践中要怎样实现呢？
    惠普公司的解决方案是利用硅的一个特性，即它所具备的可调共振器的能力。这意味着它可以借助少量输入电荷，来相对准确地改变在其内部传输的光的速度。因此，如果光在一个包含超小环形圈的微型硅通道中传输，这个环形圈就变成了光传输的“交通灯”。只需要向这个特定尺寸的环形圈输入少量的电荷，它就可以阻止某一特定频率的光的传输。释放电荷，又可以再继续进行传输。
    “当光传输被这个环形圈中止时，”Beausoleil解释说，“在波导管的末端，你看到的是一个逻辑0；当环形圈被调到非共振状态，光被允许通过到波导管时，那就代表逻辑1。这样就创造了一个光调制器。”
这种光开关可以做到很高速度。例如，在10GHz下，你可以以每秒100亿位的速度传输数据。

世界上最小的环形共振器
    惠普实验室的研究人员还证明了在一个小到难以置信的尺寸下实现上述工作是完全可能的。
    “我们已经做出了直径最小达3微米的高质量的环形圈，这个是世界纪录。”Beausoleil称。同样重要的是，惠普实验室的研究小组还证明了沿着一个小波导管在小于一毫米的空间可以实现64个微型环形共振器。如果传输64个不同波长的光，则每个环形圈都可以被“调整”为一个针对某一特定频率的开关或是调制器。
    “这64个环形圈中的每一个都可以以每秒10GB的速率实现光调制，”Beausaleil说。“于是，用仅占用十分之一毫米的环形圈，我们就可以实现每秒640GB的传输速度。”

设定优先级
    故事到这里还远没有结束。
    “我们现在真正需要做到的是，”Beausoleil说，“把64组，每组64个调制器放到一个波导管上。”
不仅如此，为了提高它们的工作效率，有时还需要让这64个环形圈中的一组比另外63个具有更高的优先级。决定哪个输出通道可以得到优先权——这个过程被称为“判优”，这是处理器已经在做的事情。但是，一般的作法是通过发送一个电子信号进行许可询问，然后得到一个返回的许可信号，但这样无疑会降低效率。
惠普实验室的研究小组已经发明了一个运用光学的判优方法——采用一个微小的光探测器，看看信号是否可以通过。
    “光学判优系统实质上是一个模拟光学计算机，”Beausoleil说，“它与所有数字电路并行运行，从而大规模减少了因为延迟带来的问题。”

研究的挑战
    虽然惠普实验室的光学研究小组已经在验证了很多想法，但是在纳米级光子互连技术被应用到商业服务器之前还有许多工作要做。
    不仅电荷可以改变光在硅中的传输速度，热也同样可以改变它，所以任何通过硅微型环状共振器进行通信的处理器都必须有个复杂的温度调节系统，以便使环形圈可以得到适当的调谐。
另外，还需要开发高效光探测器，它可以轻松读取纳米级微型环状共振器产生的光脉冲。

芯片编程可能出现的大变化
    如果这个研究团队取得成功，他们将使处理器之间的连接方式与处理器保持同样的发展速度。由于纳米光子互连也可以被用于连接多核处理器（今天最常见的处理器）的内核，所以这项研究也将改变计算机芯片的制造和编程。
    采用电子互连的处理器很难在一个多核芯片的缓存中获得代码或数据，这意味着，当处理器发展到有一个、两个、四个，现在是八个内核时，对它们进行编程已经变得非常困难。
    “但是如果采用我们的架构，”Beausoleil说，“所有的内存将与所有的内核保持相同的距离。因此，程序员不必担心代码或数据在哪里，而是在最高级别进行并行操作。我认为，这将彻底改变现有的编程方法。”