لقد وضعنا بالفعل البصريات في المنزل ، لكن وضعه على المعالج لا يزال يمثل مشكلة

إذا بدا لك أننا اليوم على حافة ثورة تكنولوجية ، فتخيل كيف كانت في منتصف الثمانينيات. تستخدم رقائق السيليكون الترانزستورات ذات الحجم المميز المقاس بالميكرون. تعمل أنظمة الألياف الضوئية على تحريك تريليونات القطع حول العالم بسرعة هائلة. يبدو أن كل شيء ممكن - فأنت تحتاج فقط إلى الجمع بين منطق السيليكون الرقمي والإلكترونيات الضوئية ونقل البيانات عبر الألياف الضوئية.
تخيل المهندسون كيف ستستمر كل تقنيات الاختراق هذه في التطور والتقارب عند النقطة التي اندمجت فيها
الضوئيات مع الإلكترونيات واستبدلتها تدريجيًا. تسمح لك الضوئيات بنقل البتات ليس فقط بين البلدان ، ولكن أيضًا داخل مراكز البيانات ، وحتى داخل أجهزة الكمبيوتر. الألياف الضوئية ستنقل البيانات من رقاقة إلى أخرى - لقد اعتقدوا ذلك. وحتى الرقائق نفسها ستكون فوتونية - يعتقد الكثيرون أن الرقائق المنطقية السريعة للغاية ستبدأ يومًا ما في استخدام الفوتونات بدلاً من الإلكترونات.
بطبيعة الحال ، لم تصل إلى ذلك.
تضخمت الشركات والحكومات
مئات الملايين من الدولارات في تطوير مكونات وأنظمة فوتونية جديدة تدمج رفوف خادم الكمبيوتر في مراكز البيانات باستخدام الألياف الضوئية. واليوم ، تربط هذه الأجهزة الضوئية بالفعل الرفوف في العديد من مراكز البيانات. ولكن هذا هو المكان الذي تتوقف فيه الفوتونات. داخل الرف ، يتم توصيل الخوادم الفردية ببعضها البعض باستخدام الأسلاك النحاسية منخفضة التكلفة والإلكترونيات عالية السرعة. وبالطبع ، يتم وضع الموصلات المعدنية على الألواح نفسها ، وصولاً إلى المعالج.
كانت محاولات دفع التكنولوجيا إلى الخوادم نفسها ، وإمداد الألياف إلى المعالجات مباشرة ، قائمة على أساس اقتصادي. في الواقع ، هناك سوق لأجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية لشبكة إيثرنت بحجم يصل إلى 4 مليارات دولار سنويًا ، والتي يجب أن تنمو إلى 4.5 مليار دولار و 50 مليون مكون بحلول عام 2020 ، وفقًا لشركة
LightCounting ، وهي شركة أبحاث السوق. لكن الضوئيات لم تجتاز هذه الأمتار القليلة الماضية ، تفصل بين رف الكمبيوتر في مركز البيانات والمعالج.
ومع ذلك ، استمرت الإمكانات الهائلة لهذه التقنية في دعم الحلم. حتى الآن ، لا تزال القضايا التقنية كبيرة. ولكن الآن ، أخيرًا ، تقدم الأفكار الجديدة حول مخططات مراكز البيانات طرقًا مجدية لتنظيم ثورة الفوتون ، والتي يمكن أن تساعد في احتواء تدفق البيانات الضخمة.

داخل وحدة الفوتونفي كل مرة تتصل فيها بالإنترنت ، أو تشاهد التلفاز الرقمي أو تقوم بأي إجراء تقريبًا في العالم الرقمي اليوم ، فإنك تستخدم البيانات التي تمر عبر وحدات الإرسال والاستقبال الضوئية. من المهمة تحويل الإشارة بين الوضعين البصري والرقمي. تعيش هذه الأجهزة على كل طرف من أطراف الألياف الضوئية التي تدفع البيانات داخل مركز البيانات لأي خدمة سحابية كبيرة أو شبكة اجتماعية. يتم توصيل الأجهزة بالمفتاح الموجود أعلى رف الخادم وتحويل الإشارات الضوئية إلى إشارات كهربائية بحيث تصل بعد ذلك إلى عدة خوادم في هذا الرف. تقوم أجهزة الإرسال / الاستقبال أيضًا بتحويل البيانات من هذه الخوادم إلى إشارات بصرية لإرسالها إلى رفوف أخرى أو من خلال شبكة من المفاتيح إلى الإنترنت.
تحتوي كل وحدة ضوئية على ثلاثة مكونات رئيسية: جهاز إرسال به مُعدِّل بصري واحد أو أكثر ، وجهاز استقبال به واحد أو أكثر من الثنائيات الضوئية ، ورقائق CMOS التي تقوم بترميز البيانات وفك تشفيرها. يصدر السيليكون العادي الضوء بشكل سيئ للغاية ، لذلك يتم إنشاء الفوتونات بواسطة ليزر منفصل عن الرقائق (على الرغم من أنه يمكن وضعها في نفس السكن الذي تنتمي إليه). لا يمثل الليزر البتات عن طريق تشغيله وإيقاف تشغيله - يتم تشغيله طوال الوقت ، ويتم تشفير البتات في شعاع الضوء باستخدام مُعدِّل بصري.
يمكن أن يكون هذا المغير ، قلب جهاز الإرسال ، من أنواع مختلفة. ناجح وبسيط بشكل خاص يسمى مضخم Mach-Zehnder. في ذلك ، يوجه دليل الموجة السليكون الضيق ضوء الليزر. يتفرع الدليل الموجي إلى قسمين ، وبعد بضعة ملليمترات يتقاربان مرة أخرى. في الوضع العادي ، لن يكون لهذه الشوكة والاتصال أي تأثير على ناتج الضوء ، لأن ذراعي الدليل الموجي لهما نفس الطول. عند الاتصال مرة أخرى ، تظل موجات الضوء في طور مع بعضها البعض. ومع ذلك ، إذا تم تطبيق جهد كهربائي على فرع واحد ، فسيؤدي ذلك إلى تغيير مؤشر الانكسار ، مما سيؤدي إلى إبطاء أو تسريع موجة الضوء. ونتيجة لذلك ، بعد اجتماع موجتين ، يتداخلان بشكل مدمر مع بعضهما البعض ، مما يؤدي إلى قمع الإشارة. لذلك ، من خلال تغيير الجهد في الفرع ، نستخدم إشارة كهربائية لتعديل البصري.
جهاز الاستقبال أبسط: إنه مجرد ديود ضوئي ودوائره الداعمة. يصل الضوء ، الذي يمر عبر الألياف الضوئية ، إلى الصمام الثنائي الضوئي الجرمانيوم أو السليكون الجرمانيوم ، الذي ينتج التيار - عادة ما يتم تحويل كل نبضة ضوئية إلى جهد.
تتم خدمة المغير وجهاز الاستقبال من خلال التضخيم ومعالجة الحزم وتصحيح الأخطاء والتخزين المؤقت والمهام الأخرى التي يجب معالجتها لتلبية معيار Gigabit Ethernet للألياف. يعتمد عدد المهام التي يتم تنفيذها على نفس الشريحة أو على الأقل في نفس السكن الذي يدير الضوئيات على الشركة المصنعة ، ولكن يتم فصل معظم المنطق الإلكتروني عن الضوئيات.
لا يمكن للضوئيات نقل البيانات بين أجزاء مختلفة من رقاقة السيليكون. المذبذب الدائري للمفتاح البصري يؤدي نفس وظيفة الترانزستور المفرد ، ولكنه يشغل مساحة 10000 مرة.هناك المزيد والمزيد من الدوائر المتكاملة للسيليكون التي تحتوي على مكونات بصرية ، وهذا قد يجعلك تعتقد أن دمج الضوئيات في المعالج كان لا مفر منه. لبعض الوقت كان يعتقد ذلك.
ومع ذلك ، فقد تم التقليل من التناقض المتزايد بين الانخفاض السريع في حجم رقائق المنطق الإلكتروني وعدم قدرة الضوئيات على مواكبتها أو حتى تجاهلها. اليوم ، تتمتع الترانزستورات بأبعاد مميزة لعدة نانومتر. مع تقنية CMOS 7 نانومتر ، يمكن وضع أكثر من مائة ترانزستور منطقي للأغراض العامة على كل ميكرومتر مربع. وما زلنا لا نذكر متاهة الأسلاك النحاسية المعقدة فوقها. بالإضافة إلى وجود المليارات من الترانزستورات على كل شريحة ، فإنه يحتوي أيضًا على عشرات المستويات من المركبات المعدنية التي تربط هذه الترانزستورات في السجلات والمضاعفات والأجهزة المنطقية الحسابية والهياكل الأكثر تعقيدًا التي تشكل نوى المعالج والدوائر الضرورية الأخرى.
تكمن المشكلة في أنه لا يمكن جعل المكون البصري النموذجي ، على سبيل المثال ، مُعدِّل ، أصغر بكثير من طول موجة الضوء التي يحملها - مما يحد من عرضه الأدنى إلى 1 ميكرومتر. لا يمكن لقانون مور أن يتغلب على هذا القيد. إنها ليست مسألة استخدام تقنيات طباعة حجرية أكثر وأكثر تقدمًا. إن الإلكترونات - التي يبلغ طول موجتها بضعة نانومتر - هزيلة ، والفوتونات سميكة.
ولكن هل يستطيع المصنعون ببساطة دمج المُشكِّل والتوافق مع حقيقة أنه سيكون هناك عدد أقل من الترانزستورات على الشريحة؟ بعد كل شيء ، يتم وضع المليارات منهم بالفعل هناك؟ لا يمكنهم. نظرًا للعدد الهائل من وظائف النظام التي يمكن أن يؤديها كل ميكرومتر مربع من رقاقة إلكترونية من السليكون ، فسيكون استبدال حتى عدد قليل جدًا من الترانزستورات بمكونات بصرية أسوأ أداءً مكلفًا للغاية.
عد بسيط. لنفترض أن متوسط 100 ترانزستور يقع على ميكرومتر مربع. ثم يحل جهاز التعديل البصري الذي يشغل مساحة 10 ميكرون بمقدار 10 ميكرون محل الدائرة التي تتكون من 10000 ترانزستور! تذكر أن المغير البصري التقليدي يعمل كمفتاح فقط لتشغيل الأضواء وإيقافها. لكن كل ترانزستور يمكن أن يعمل كمفتاح. لذلك ، تقريبًا ، تكلفة تضمين هذه الوظيفة البدائية في الدائرة هي 10000: 1 ، نظرًا لوجود 10000 مفتاح إلكتروني لكل مُعدِّل بصري يمكن استخدامه بواسطة مصمم الدائرة. لن يقبل أي مصنع مثل هذه التكلفة العالية ، حتى في مقابل زيادة ملموسة في السرعة والكفاءة ، والتي يمكن الحصول عليها من دمج المعدلات مباشرة في المعالج.
إن فكرة استبدال الإلكترونيات على الرقائق بالضوئيات لها عيوب أخرى. على سبيل المثال ، تقوم الشريحة بمهام حاسمة ، مثل العمل مع الذاكرة ، والتي لا تمتلك فيها البصريات قدرات. الفوتونات غير متوافقة ببساطة مع الوظائف الأساسية لشريحة الكمبيوتر. وفي الحالات التي لا تكون فيها هذه هي الحالة ، لا معنى لترتيب منافسة بين المكونات البصرية والإلكترونية على نفس الشريحة.
مخطط مركز البيانات.
اليوم (يسار) ، الضوئيات تنقل البيانات عبر شبكة متعددة المستويات. اتصال الإنترنت في المستوى الأعلى (الرئيسي). يقوم المحول بنقل بيانات الألياف إلى مفاتيح الرف العلوي.
ستتمكن الضوئيات غدًا (على اليمين) من تغيير بنية مراكز البيانات. يمكن أن تجعل هندسة نطاق الحامل مراكز البيانات أكثر مرونة من خلال فصل أجهزة الكمبيوتر فعليًا عن الذاكرة وربط هذه الموارد عبر شبكة بصرية.لكن هذا لا يعني أن البصريات لن تكون قادرة على الاقتراب من المعالجات والذاكرة وشرائح المفاتيح الأخرى. اليوم ، يدور سوق الاتصالات الضوئية في مراكز البيانات حول مفاتيح أعلى الحامل (TORs) ، والتي تتضمن وحدات بصرية. في الجزء العلوي من الرفوف التي يبلغ ارتفاعها مترين ، والتي يتم فيها تثبيت الخوادم والذاكرة والموارد الأخرى ، تربط الألياف وحدات التخزين مع بعضها البعض من خلال طبقة منفصلة من المفاتيح. وهي متصلة بمجموعة أخرى من المفاتيح التي تشكل الوصول إلى الإنترنت لمركز البيانات.
لوحة TOR النموذجية ، حيث يتم تعليق أجهزة الإرسال والاستقبال ، تعطي فكرة عن حركة البيانات. يتصل كل TOR بجهاز إرسال / استقبال واحد ، وهذا بدوره يتصل بكبلين بصريين (أحدهما للإرسال والثاني للاستقبال). في TOR بارتفاع 45 مم ، يمكن إدخال 32 وحدة ، كل منها قادر على إرسال البيانات بسرعة 40 جيجابت / ثانية في كلا الاتجاهين ، ونتيجة لذلك يمكن نقل البيانات بين رفين بسرعة 2.56 تيرابت / ثانية.
ومع ذلك ، داخل الرفوف وداخل الخوادم ، لا تزال البيانات تتدفق عبر الأسلاك النحاسية. وهذا أمر سيئ ، لأنها تصبح عقبة أمام إنشاء أنظمة أسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة. من المحتمل أن تكون الحلول البصرية للمقياس الأخير (أو بضعة أمتار) - التي تربط البصريات بالخادم أو حتى مباشرة بالمعالج - أفضل فرصة لإنشاء سوق ضخم للمكونات البصرية. ولكن حتى ذلك الحين ، يجب التغلب على عقبات خطيرة سواء في مجال الأسعار أو في مجال الأداء.
المخططات التي تسمى "الألياف إلى المعالج" ليست جديدة. يقدم لنا الماضي العديد من الدروس حول تكلفتها وموثوقيتها وكفاءتها في استخدام الطاقة وعرض القناة. منذ حوالي 15 عامًا ، شاركت في تصميم وبناء
جهاز إرسال واستقبال تجريبي أظهر عرض نطاق ترددي مرتفع جدًا. قامت المظاهرة بتوصيل كابل من 12 نوى بصرية بمعالج. كل نواة ترسل إشارات رقمية يتم إنشاؤها بشكل منفصل بواسطة أربعة
ليزر ينبعث منها السطح مع مرنان رأسي (VCSEL). هذا هو صمام ثنائي ليزر ينبعث الضوء من سطح الشريحة ، ولدى الضوء كثافة أعلى من الثنائيات الليزر التقليدية. تم تشفير أربع وحدات بت VCSEL من خلال تشغيل الضوء وإيقافه ، وعمل كل منها بتردده الخاص في نفس النواة ، مما أدى إلى مضاعفة إنتاجه أربع مرات بسبب
تعدد الإرسال الطيفي الخشن للقنوات . لذلك ، إذا أنتجت كل قناة VCSEL دفق بيانات يبلغ 25 جيجابت / ثانية ، فإن إجمالي إنتاج النظام يبلغ 1.2 تيرابت / ثانية. اليوم ، معيار الصناعة للمسافة بين الأسلاك المجاورة في كبل 12 سلكًا هو 0.25 مم ، مما يعطي كثافة إنتاجية 0.4 تيرابايت / مم. وبعبارة أخرى ، في كل 100 ثانية يمكن لكل مليمتر معالجة الكثير من البيانات مثل مخازن أرشيف الويب بمكتبة الكونغرس الأمريكية في شهر واحد.
اليوم ، هناك حاجة إلى سرعات أعلى لنقل البيانات من البصريات إلى المعالج ، ولكن البداية لم تكن سيئة. لماذا هذه التكنولوجيا غير مقبولة؟ جزئيا لأن هذا النظام لم يكن موثوقا بما فيه الكفاية وغير عملي. في ذلك الوقت ، كان من الصعب للغاية اختلاق 48 VCSELs لجهاز الإرسال والتأكد من عدم وجود أعطال خلال حياته. كان أحد الدروس المهمة هو أنه يمكن جعل ليزر واحد يحتوي على العديد من المعدلات أكثر موثوقية بكثير من 48 ليزر.
اليوم ، زادت موثوقية VCSEL بشكل كبير بحيث يمكن استخدام أجهزة الإرسال والاستقبال التي تستخدم هذه التقنية في الحلول لمسافات قصيرة في مراكز البيانات. يمكن استبدال النوى البصرية ببصريات متعددة النواة تحمل نفس كمية البيانات ، وإعادة توجيهها إلى خيوط مختلفة داخل الألياف الرئيسية. في الآونة الأخيرة ،
أصبح من الممكن أيضًا تنفيذ معايير أكثر تعقيدًا لنقل البيانات الرقمية - على سبيل المثال ،
PAM4 ، مما يزيد من معدل نقل البيانات باستخدام ليس اثنين ، ولكن أربع قيم للطاقة الخفيفة. دراسات جارية لزيادة كثافة عرض النطاق الترددي في أنظمة نقل البيانات من البصريات إلى المعالج - على سبيل المثال ، يتيح برنامج Shine من MIT تحقيق كثافة أعلى 17 مرة مما كان متاحًا لنا قبل 15 عامًا.
كل هذه اختراقات مهمة للغاية ، ولكن إذا تم أخذها معًا ، فلن تكون كافية للسماح للضوئيات باتخاذ الخطوة التالية نحو المعالج. ومع ذلك ، ما زلت أعتقد أن مثل هذه الخطوة ممكنة - حيث أن الحركة لتغيير بنية نظام مراكز البيانات تكتسب زخمًا.
اليوم ، يتم تجميع المعالجات والذاكرة وأنظمة التخزين في ما يسمى
خوادم الشفرة ، التي توجد حاوياتها الخاصة في الرفوف. لكن هذا ليس ضروريا. بدلاً من وضع الذاكرة على الرقائق في الخادم ، يمكن وضعها بشكل منفصل - على نفس ، أو حتى على حامل آخر. يُعتقد أن مثل هذه
البنية على نطاق الرف (RSA) يمكنها استخدام موارد الحوسبة بشكل أكثر كفاءة ، خاصةً للشبكات الاجتماعية مثل Facebook ، حيث تنمو كمية الحوسبة والذاكرة اللازمة لحل المشكلات بمرور الوقت. كما أنه يبسط مهمة خدمة واستبدال المعدات.
لماذا يساعد هذا التكوين الضوئيات على اختراق أعمق؟ لأنه بساطة تغييرات التكوين والتخصيص الديناميكي للموارد التي يمكنك تحملها بفضل جيل جديد من المحولات الضوئية الفعالة وغير المكلفة التي تنقل عدة تيرابايت في الثانية.
إن تقنية توصيل البصريات مباشرة بالمعالج موجودة منذ أكثر من 10 سنواتوالعقبة الرئيسية لهذا التغيير في مراكز البيانات هي تكلفة المكونات وإنتاجها. تمتلك فوتونات السيليكون بالفعل ميزة واحدة من حيث التكلفة - يمكنها الاستفادة من مرافق الإنتاج الحالية ، والبنية التحتية الضخمة لتصنيع الرقائق وموثوقيتها. ومع ذلك ، يتحد السيليكون والضوء بشكل غير كامل: بالإضافة إلى عدم الكفاءة في التدخل في انبعاث الضوء ، تعاني مكونات السيليكون من خسائر كبيرة في الضوء. يُظهر جهاز الإرسال والاستقبال البصري للسيليكون فقدانًا ضوئيًا قدره 10 ديسيبل (90٪). لا يهم عدم الكفاءة هذا للصلات القصيرة بين مفاتيح TOR ، لأنه حتى الآن تفوق ميزة التكلفة المحتملة للسيليكون عيوبها.
جزء مهم من تكلفة الوحدة الضوئية للسيليكون هو مثل هذه التفاصيل المتواضعة والحرجة كتوصيل بصري. هذا هو الاتصال المادي للألياف الضوئية وجهاز الاستقبال أو جهاز الإرسال ، والاتصال بين الألياف. في كل عام ، يجب تصنيع مئات الملايين من موصلات البصريات والبصريات بأعلى دقة. لتخيل هذه الدقة ، لاحظ أن قطر شعر الإنسان عادة ما يكون أصغر قليلاً فقط من قطر خيط واحد من الألياف الزجاجية الكوارتز من 125 ميكرون يستخدم لتوصيل الكابلات البصرية. الدقة اللازمة لمحاذاة الألياف في الموصل هي من 100 نانومتر - جزء من الألف من سمك شعر الإنسان - أو ستتلاشى الإشارة كثيرًا. من الضروري تطوير طرق مبتكرة لتصنيع موصلات لكبلين ولتوصيل كابل بجهاز إرسال / استقبال من أجل تلبية متطلبات العملاء المتزايدة للحصول على دقة عالية وتكلفة منخفضة. ومع ذلك ، هناك عدد قليل جدًا من تقنيات التصنيع التي تجعل التصنيع غير مكلفًا إلى حد ما.
إحدى الطرق لتقليل التكلفة هي تقليل تكلفة رقائق الوحدة الضوئية. هنا يمكن أن تساعد تقنية تنفيذ الأنظمة على مستوى الركيزة بأكملها (
التكامل على نطاق الرقاقة ، WSI). باستخدام هذه التقنية ، يتم وضع الضوئيات على ركيزة سيليكون ، وإلكترونيات على أخرى ، ثم يتم توصيل الركائز (يظل الليزر المصنوع ليس من السيليكون ، ولكن من أشباه الموصلات الأخرى ، منفصلًا). هذا النهج يوفر تكاليف الإنتاج ، لأنه يسمح بالإنتاج والتجميع المتوازيين.
عامل آخر لخفض التكاليف ، بطبيعة الحال ، حجم الإنتاج. لنفترض أن سوق جيجابت إيثرنت البصري بأكمله هو 50 مليون جهاز إرسال / استقبال سنويًا ، وأن كل رقاقة إرسال / استقبال بصري تشغل مساحة 25 ملم مربع. بافتراض أن المصنع يستخدم ركائز يبلغ قطرها 200 مم لإنتاجها ، وأنه بعد ذلك يتم استخدام 100 ٪ من المنتجات المصنعة ، يلزم وجود 42000 ركيزة لهذا السوق.
قد يبدو هذا عددًا كبيرًا ، لكن هذا الرقم يصف في الواقع أسبوعين فقط من العمل في مصنع نموذجي. في الواقع ، يمكن لأي مصنع لأجهزة الإرسال والاستقبال الاستيلاء على 25 ٪ من السوق في غضون أيام قليلة من الإنتاج. يجب أن تكون هناك طريقة لزيادة الأحجام إذا أردنا تقليل التكلفة حقًا. الطريقة الوحيدة للقيام بذلك هي فهم كيفية استخدام الضوئيات أسفل مفتاح TOR ، وصولاً إلى المعالجات في الخوادم.إذا تغلغلت الضوئيات السيليكونية في أي مكان تعمل فيه جميع الأنظمة الإلكترونية ، فيجب أن تظهر أسباب فنية واقتصادية مقنعة. سيتعين على المكونات حل جميع المشاكل المهمة وتحسين النظام ككل بشكل جدي. يجب أن تكون صغيرة الحجم وموفرة للطاقة وموثوقة للغاية ، ويجب أيضًا نقل البيانات بسرعة كبيرة.اليوم ، لا يوجد حل يلبي جميع هذه المتطلبات ، لذلك ستستمر الإلكترونيات في التطور دون التكامل مع البصريات. بدون اختراقات خطيرة ، لن تصل الفوتونات السميكة إلى تلك الأماكن من النظام حيث تهيمن الإلكترونات الهزيلة. ومع ذلك ، إذا كان من الممكن إنتاج المكونات البصرية بشكل موثوق به بأحجام كبيرة جدًا وبسعر منخفض جدًا ، فإن حلم بضعة عقود من العمر حول توصيل البصريات إلى المعالج والمعماريات المرتبطة به يمكن أن يصبح حقيقة.على مدى السنوات الخمس عشرة الماضية ، حققنا تقدمًا كبيرًا. نحن على دراية أفضل بالتقنيات البصرية وحيث يمكن ولا يمكن استخدامها في مراكز البيانات. تم تطوير سوق تجاري قوي بمليارات الدولارات للمكونات البصرية. أصبحت الموصلات الضوئية جزءًا مهمًا من بنية المعلومات العالمية. ومع ذلك ، لا يزال دمج عدد كبير من المكونات البصرية في قلب الأنظمة الإلكترونية أمرًا غير عملي. ولكن هل ستبقى على هذا النحو؟ لا أعتقد ذلك.