Terabit para cada chip: Intel desenvolve fotônica integrada

A Intel desenvolve fotônica de silício há 15 anos. Como quase tudo na eletrônica moderna, ela começou com a criação de componentes individuais, que com o tempo se tornaram mais compactos e eficientes e cada vez mais integrados uns com os outros. A empresa agora está pronta para avançar para a próxima etapa, a chamada Fotônica Integrada, que incorporará componentes ópticos diretamente nos chips.

Um complexo para recepção e transmissão óptica de dados deve ter vários elementos-chave: uma fonte de luz e seu detector, modulante para (des) multiplexação, uma portadora de sinal e seu amplificador, bem como uma cinta eletrônica e tecnologia para empacotar tudo isso. Tudo isso há muito tempo implementado nos equipamentos para redes de comunicação de fibra óptica – a própria Intel já entregou cerca de 4 milhões de transceptores ópticos da classe 100G e, há muito tempo, promete o surgimento de soluções 400G.

Mas o objetivo final, como já foi afirmado repetidamente, é a integração da “ótica” no “silício”, ou seja, o uso de linhas de comunicação ótica dentro do servidor, e não fora dele – entre seus componentes individuais e dentro dos próprios chips. No entanto, reduzir a este nível levanta muitos problemas com compactação, consumo de energia e integração adequada com outros componentes semicondutores. Já para a transição para a fotônica integrada, de acordo com a empresa, está tudo quase pronto – o protótipo inclui cinco “pilares” da fotônica de silício integrada.

O primeiro deles são os moduladores em anel, que são mil vezes menores do que soluções semelhantes. É o seu tamanho que determina a possibilidade de incluí-los na composição dos chips. Funcionam de forma bastante simples: o anel ressonador, por onde entra a luz, é controlado por impulsos elétricos e pode alterar rapidamente suas propriedades ópticas, passando livremente ou retardando o fluxo de luz. Assim, “zeros” e “uns” são formados para codificar o sinal. Uma abordagem semelhante é usada, por exemplo, nos desenvolvimentos do Imec.

Vários desses moduladores – quatro, oito, dezesseis e mais – podem ser “pendurados” em uma fibra e cada um deles pode ser ajustado a um determinado comprimento de onda. Juntos, eles formam o esquema WDM familiar. A fonte de luz, e esses são mais dois “pilares”, é um laser semicondutor capaz de entregar fluxo simultaneamente em quatro comprimentos de onda, combinado com um amplificador feito do mesmo material, o que simplifica a produção e reduz custos.

Mas aqui está um “truque” – o modulador pode ser simultaneamente um fotodetector para ondas com um comprimento de 1,3-1,6 mícron! E, o que é muito importante, é feito de silício, não de germânio ou índio – este é outro “pilar”. E, veja acima, isso também simplifica e reduz o custo do processo de produção. O fotodetector já pode operar em velocidades de até 112 Gbps, embora tal número sugira que o limite superior aqui não é de natureza física, mas aparece devido a outros componentes.

Por fim, o último “pilar” é a integração de todos os componentes dentro da estrutura dos processos técnicos existentes. Em particular, na demonstração do transceptor 100G, foi mencionado que ele consiste em duas camadas localizadas uma em cima da outra (embalagem 3D) e unidas por condutores de cobre: ​​a inferior é responsável pela fotônica e liga lasers e moduladores, e a superior é um microcircuito CMOS convencional … Este último é responsável pela comunicação com outros chips, e também controla moduladores, que são muito sensíveis às mudanças de temperatura.

Por que você precisa de tudo isso? Substituir conexões elétricas por conexões ópticas reduzirá os pinos do chip, enquanto aumenta a largura de banda e reduz o consumo de energia. Ao mesmo tempo, as próprias conexões elétricas, além da óbvia limitação do comprimento das conexões, também têm um limite na eficiência energética – com o atual crescimento da velocidade das conexões, não está longe o momento em que mais energia será gasta na alimentação das linhas de comunicação do que em cálculos reais.

Já existe uma tendência de aumento notável do número de contatos em um soquete, uma parte significativa dos quais vai para PCIe e DDR. Para este último, interfaces seriais como OMI são oferecidas como alternativa, mas as linhas PCIe ainda não são suficientes. Portanto, os aceleradores modernos adquiriram interfaces dedicadas, por exemplo, NVLink e Infinity Fabric, para troca direta de dados entre si.

No entanto, eles não escalam bem fora do chassi porque, novamente, são limitados pelo barramento PCIe exigido pelos adaptadores de rede. O programa DARPA FastNIC tem como objetivo eliminar a enorme diferença na taxa de transferência dos próprios chips e das redes que os conectam. A DARPA também possui o programa PIPES (Photonics in the Package for Extreme Scalability), que visa diretamente o desenvolvimento de fotônica integrada. Em particular, a Intel e a Xilinx participam dela (após a compra, aparentemente, a AMD já).

Como parte de seus desenvolvimentos no campo da fotônica integrada, a Intel estabeleceu até agora objetivos relativamente modestos, querendo atingir 1 Tbit / s de largura de banda por fibra, 1 pkJ / bit de eficiência energética e comprimentos de linha de comunicação de até 1 km. A longo prazo – obtendo velocidades de dezenas e centenas de terabits por segundo por soquete. Isso será suficiente para a conexão direta de processadores e outros dispositivos de computação diretamente entre si em todo o data center, o que mudará radicalmente a abordagem de coleta, armazenamento, transferência e processamento de informações.