La fotónica de silicio tropieza en el último medidor

Ya hemos colocado la óptica en la casa, pero ponerla en el procesador sigue siendo problemática.

Si le parece que hoy estamos al borde de una revolución tecnológica, imagine cómo fue a mediados de los años ochenta. Los chips de silicio utilizaron transistores con un tamaño característico medido en micras. Los sistemas de fibra óptica han estado moviendo billones de bits en todo el mundo a una velocidad tremenda. Todo parecía posible: solo necesita combinar lógica de silicio digital, optoelectrónica y transmisión de datos a través de fibra óptica.

Los ingenieros imaginaron cómo todas estas tecnologías innovadoras continuarían evolucionando y convergiendo en el punto donde la fotónica se fusionó con la electrónica y la reemplazó gradualmente. Photonics le permitiría mover bits no solo entre países, sino también dentro de los centros de datos e incluso dentro de las computadoras. La fibra óptica transferiría datos de un chip a otro, ellos pensaban que sí. E incluso los chips mismos serían fotónicos: muchos creían que los chips lógicos increíblemente rápidos algún día comenzarían a usar fotones en lugar de electrones.

Naturalmente, no llegó a eso. Las empresas y los gobiernos aumentaron cientos de millones de dólares en el desarrollo de nuevos componentes y sistemas fotónicos que integran bastidores de servidores informáticos en centros de datos que utilizan fibra óptica. Y hoy, tales dispositivos fotónicos realmente conectan los bastidores en muchos centros de datos. Pero aquí es donde se detienen los fotones. Dentro del bastidor, los servidores individuales se conectan entre sí mediante cables de cobre de bajo costo y dispositivos electrónicos de alta velocidad. Y, por supuesto, los conductores metálicos se colocan en las placas, hasta el procesador.

Los intentos de introducir la tecnología en los propios servidores, alimentar directamente la fibra a los procesadores, se basaron en una base económica. De hecho, hay un mercado de transceptores ópticos para Ethernet con un volumen de casi $ 4 mil millones por año, que debería crecer a $ 4.5 mil millones y 50 millones de componentes para 2020, según LightCounting, una compañía de investigación de mercado. Pero la fotónica no ha pasado estos últimos metros, separando el estante de la computadora en el centro de datos y el procesador.

Sin embargo, el enorme potencial de esta tecnología continuó apoyando el sueño. Hasta ahora, los problemas técnicos siguen siendo significativos. Pero ahora, finalmente, las nuevas ideas sobre los esquemas de centros de datos están ofreciendo formas factibles de organizar la revolución de los fotones, lo que puede ayudar a contener la entrada de grandes datos.




Dentro del módulo de fotones

Cada vez que se conecta, mira televisión digital o realiza casi cualquier acción en el mundo digital actual, utiliza los datos que pasan a través de los módulos transceptores ópticos. De la tarea es convertir la señal entre los modos óptico y digital. Estos dispositivos viven en cada extremo de la fibra óptica que impulsa los datos dentro del centro de datos de cualquier servicio en la nube o red social de gran tamaño. Los dispositivos se conectan al conmutador ubicado en la parte superior del bastidor del servidor y convierten las señales ópticas en señales eléctricas para que luego lleguen a varios servidores en ese bastidor. Los transceptores también convierten los datos de estos servidores en señales ópticas para su transmisión a otros bastidores oa través de una red de conmutadores a Internet.

Cada módulo óptico contiene tres componentes principales: un transmisor con uno o más moduladores ópticos, un receptor con uno o más fotodiodos y chips CMOS que codifican y decodifican datos. El silicio ordinario emite muy poca luz, por lo que los fotones son generados por un láser separado de los chips (aunque puede colocarse en la misma carcasa que ellos). El láser no representa bits al encenderlo y apagarlo: se enciende todo el tiempo y los bits se codifican en el haz de luz utilizando un modulador óptico.

Este modulador, el corazón del transmisor, puede ser de diferentes tipos. Especialmente exitoso y simple se llama el modulador Mach-Zehnder. En él, una guía de onda de silicio estrecha dirige la luz láser. La guía de ondas se ramifica en dos, y después de unos milímetros convergen nuevamente. En una situación normal, dicha horquilla y conexión no tendrían ningún efecto en la salida de luz, ya que ambos brazos de la guía de onda tienen la misma longitud. Conectándose de nuevo, las ondas de luz permanecen en fase entre sí. Sin embargo, si se aplica un voltaje eléctrico a una rama, esto cambiará su índice de refracción, lo que ralentizará o acelerará la onda de luz. Como resultado, después de la reunión de dos ondas, interfieren destructivamente entre sí, suprimiendo la señal. Por lo tanto, al variar el voltaje en la rama, usamos una señal eléctrica para modular la óptica.

El receptor es más simple: es solo un fotodiodo y sus circuitos de soporte. La luz, que pasa a través de la fibra óptica, llega al fotodiodo de germanio o silicio-germanio del receptor, que produce corriente, generalmente cada pulso de luz se convierte en voltaje.

El modulador y el receptor reciben servicio de amplificación, procesamiento de paquetes, corrección de errores, almacenamiento en búfer y otras tareas que deben abordarse para cumplir con el estándar Gigabit Ethernet para fibra. La cantidad de tareas que se realizan en el mismo chip o al menos en la misma carcasa que administra la fotónica depende del fabricante, pero la mayor parte de la lógica electrónica está separada de la fotónica.


La fotónica nunca puede transferir datos entre diferentes partes de un chip de silicio. El oscilador circular del interruptor óptico realiza la misma función que un solo transistor, pero ocupa 10.000 veces el área.

Cada vez hay más circuitos integrados de silicio en los que hay componentes ópticos, y esto puede hacernos pensar que la integración de la fotónica en el procesador era inevitable. Y durante algún tiempo se pensó así.

Sin embargo, la creciente discrepancia entre la rápida reducción de tamaño de los chips lógicos electrónicos y la incapacidad de la fotónica para mantenerse al día con ellos se ha subestimado o incluso ignorado. Hoy, los transistores tienen dimensiones características de varios nanómetros. Con la tecnología CMOS de 7 nm, se pueden colocar más de cien transistores lógicos de propósito general en cada micrómetro cuadrado. Y todavía no mencionamos el laberinto de cables de cobre complejos por encima de ellos. Además de la presencia de miles de millones de transistores en cada chip, también tiene una docena de niveles de conexiones metálicas que conectan estos transistores a registros, multiplicadores, dispositivos de lógica aritmética y estructuras más complejas que conforman los núcleos del procesador y otros circuitos necesarios.

El problema es que un componente óptico típico, por ejemplo, un modulador, no puede hacerse significativamente más pequeño que la longitud de onda de la luz que transporta, lo que limita su ancho mínimo a 1 micrómetro. Ninguna ley de Moore puede superar esta limitación. No se trata de utilizar tecnologías de litografía cada vez más avanzadas. Es solo que los electrones, cuya longitud de onda es de unos pocos nanómetros, son delgados y los fotones son gruesos.

Pero, ¿pueden los fabricantes simplemente integrar el modulador y aceptar el hecho de que habrá menos transistores en el chip? Después de todo, ¿miles de millones de ellos ya están siendo colocados allí? No pueden Debido a la gran cantidad de funciones del sistema que puede realizar cada micrómetro cuadrado de un chip electrónico de silicio, será muy costoso reemplazar incluso unos pocos transistores con componentes ópticos que funcionen peor.

Conteo simple Supongamos que un promedio de 100 transistores se encuentra en un micrómetro cuadrado. Luego, un modulador óptico, que ocupa un área de 10 micras por 10 micras, reemplaza el circuito, que consta de 10,000 transistores. Recuerde que un modulador óptico convencional actúa como el único interruptor que enciende y apaga las luces. Pero cada transistor en sí mismo puede funcionar como un interruptor. Por lo tanto, en términos generales, el costo de incluir esta función primitiva en el circuito es de 10,000: 1, ya que hay 10,000 interruptores electrónicos para cada modulador óptico que pueden ser utilizados por el diseñador del circuito. Ningún fabricante aceptará un costo tan alto, incluso a cambio de un aumento tangible en la velocidad y la eficiencia, que podría obtenerse de la integración de moduladores directamente en el procesador.

La idea de reemplazar la electrónica en chips con fotónica tiene otros inconvenientes. Por ejemplo, el chip realiza tareas críticas, como trabajar con memoria, para las cuales la óptica no tiene capacidades. Los fotones son simplemente incompatibles con las funciones básicas de un chip de computadora. Y en los casos en que este no sea el caso, no tiene sentido organizar una competencia entre los componentes ópticos y electrónicos en el mismo chip.


El esquema del centro de datos.
Hoy (izquierda), la fotónica transmite datos a través de una red de varios niveles. La conexión a Internet está en el nivel superior (principal). El conmutador transfiere datos de fibra a los conmutadores del bastidor superior.
Mañana (a la derecha), la fotónica podrá cambiar la arquitectura de los centros de datos. Una arquitectura a escala de bastidor podría hacer que los centros de datos sean más flexibles al separar físicamente las computadoras de la memoria y vincular estos recursos a través de una red óptica.

Pero esto no significa que la óptica no pueda acercarse a los procesadores, la memoria y otros chips clave. Hoy en día, el mercado de comunicaciones ópticas en los centros de datos gira en torno a los conmutadores de la parte superior del bastidor (TOR), que incluyen módulos ópticos. En la parte superior de los bastidores de dos metros, en los que se instalan servidores, memoria y otros recursos, la fibra conecta los TOR a través de una capa separada de conmutadores. Y están conectados a otro conjunto de conmutadores que forman el acceso a Internet del centro de datos.

El panel TOR típico, donde los transceptores están atascados, da una idea del movimiento de los datos. Cada TOR se conecta a un transceptor y, a su vez, se conecta a dos cables ópticos (uno para la transmisión, el segundo para la recepción). En un TOR con una altura de 45 mm, se pueden insertar 32 módulos, cada uno de los cuales es capaz de transmitir datos a una velocidad de 40 Gbit / s en ambas direcciones, como resultado de lo cual los datos se pueden transmitir entre dos bastidores a una velocidad de 2.56 Tbit / s.

Sin embargo, dentro de los bastidores y los servidores internos, los datos aún fluyen a través de cables de cobre. Y esto es malo, porque se convierten en un obstáculo para la creación de sistemas más rápidos y más eficientes. Las soluciones ópticas del último medidor (o un par de medidores), que conectan la óptica al servidor o incluso directamente al procesador, son probablemente la mejor oportunidad para crear un gran mercado para los componentes ópticos. Pero hasta entonces, se deben superar serios obstáculos tanto en el campo de los precios como en el campo del desempeño.

Los esquemas llamados "fibra para el procesador" no son nuevos. El pasado nos da muchas lecciones sobre su costo, confiabilidad, eficiencia energética y ancho de canal. Hace unos 15 años, participé en el diseño y construcción de un transceptor experimental que demostró un ancho de banda muy alto. La demostración conectó un cable de 12 núcleos ópticos con un procesador. Cada núcleo transmitía señales digitales generadas por separado por cuatro láseres emisores de superficie con un resonador vertical (VCSEL). Este es un diodo láser que emite luz desde la superficie del chip, y la luz tiene una densidad más alta que los diodos láser convencionales. Cuatro bits codificados por VCSEL encendiendo y apagando la luz, y cada uno de ellos trabajó a su propia frecuencia en el mismo núcleo, lo que cuadruplicó su rendimiento debido a la multiplexación espectral gruesa de los canales . Por lo tanto, si cada VCSEL produjo un flujo de datos de 25 Gbit / s, entonces el rendimiento total del sistema alcanzó 1.2 Tbit / s. Hoy, el estándar de la industria para la distancia entre cables adyacentes en un cable de 12 hilos es de 0.25 mm, lo que da una densidad de rendimiento de 0.4 Tbps / mm. En otras palabras, en 100 segundos cada milímetro puede procesar tantos datos como las tiendas de archivo web de la Biblioteca del Congreso de los Estados Unidos en un mes.

Hoy en día, se requieren velocidades aún mayores para transferir datos desde la óptica al procesador, pero el comienzo no fue malo. ¿Por qué no se acepta esta tecnología? En parte porque este sistema no era lo suficientemente confiable y poco práctico. En ese momento, era muy difícil fabricar 48 VCSEL para el transmisor y garantizar que no hubiera fallas durante su vida útil. Una lección importante fue que un láser con muchos moduladores puede hacerse mucho más confiable que 48 láseres.

Hoy, la confiabilidad de VCSEL ha aumentado tanto que los transceptores que usan esta tecnología pueden usarse en soluciones para distancias cortas en centros de datos. Los núcleos ópticos pueden reemplazarse por ópticos multinúcleo que transportan la misma cantidad de datos, redirigiéndolos a diferentes hilos dentro de la fibra principal. Recientemente, también ha sido posible implementar estándares más complejos para transmitir datos digitales, por ejemplo, PAM4 , que aumenta la velocidad de transferencia de datos utilizando no dos, sino cuatro valores de potencia de luz. Se están realizando estudios para aumentar la densidad de ancho de banda en los sistemas de transmisión de datos desde la óptica hasta el procesador; por ejemplo, el programa Shine del MIT nos permite lograr una densidad 17 veces mayor que la que teníamos disponible hace 15 años.

Todos estos son avances bastante significativos, pero en conjunto, no serán suficientes para permitir que la fotónica dé el siguiente paso hacia el procesador. Sin embargo, sigo pensando que ese paso es posible, ya que ahora el movimiento para cambiar la arquitectura del sistema de los centros de datos está ganando impulso.

Hoy en día, los procesadores, los sistemas de memoria y almacenamiento se ensamblan en el llamado servidores blade , cuyos gabinetes especiales se encuentran en bastidores. Pero esto no es necesario. En lugar de colocar la memoria en los chips del servidor, se puede colocar por separado, en el mismo, o incluso en otro rack. Se cree que dicha arquitectura a escala de bastidor (RSA) puede utilizar de manera más eficiente los recursos informáticos, especialmente para las redes sociales como Facebook, donde la cantidad de informática y memoria necesaria para resolver problemas aumenta con el tiempo. También simplifica la tarea de servicio y reemplazo de equipos.

¿Por qué esta configuración ayuda a la fotónica a penetrar más profundamente? Debido a la simplicidad de los cambios de configuración y la asignación dinámica de recursos que puede permitirse gracias a una nueva generación de interruptores ópticos eficientes y económicos que transmiten varios terabits por segundo.


La tecnología de conectar ópticas directamente al procesador existe desde hace más de 10 años.

El principal obstáculo para este cambio en los centros de datos es el costo de los componentes y su producción. La fotónica de silicio ya tiene una ventaja de costo: puede aprovechar las instalaciones de producción existentes, una enorme infraestructura de fabricación de chips y su confiabilidad. Sin embargo, el silicio y la luz se combinan imperfectamente: además de interferir con las ineficiencias en la emisión de luz, los componentes de silicio sufren grandes pérdidas de luz. Un transceptor óptico de silicio típico muestra una pérdida óptica de 10 dB (90%). Esta ineficiencia no es importante para las conexiones cortas entre los interruptores TOR, porque hasta ahora la ventaja de costo potencial del silicio supera sus desventajas.

Una parte importante del costo de un módulo óptico de silicio es un detalle tan modesto pero crítico como una conexión óptica. Esta es la conexión física de la fibra óptica y el receptor o transmisor, y la conexión entre las fibras. Cada año, cientos de millones de conectores ópticos-ópticos deben fabricarse con la máxima precisión. Para imaginar esta precisión, tenga en cuenta que el diámetro de un cabello humano generalmente es solo un poco más pequeño que el diámetro de una sola hebra de fibra de vidrio de cuarzo de 125 micras utilizada para conectar cables ópticos. La precisión con la que es necesario alinear la fibra en el conector es del orden de 100 nm, una milésima parte del grosor de un cabello humano, o la señal se desvanecerá demasiado. Es necesario desarrollar métodos innovadores para fabricar conectores para dos cables y para conectar un cable a un transceptor para satisfacer las crecientes demandas de los clientes de alta precisión y bajo costo. Sin embargo, hay muy pocas tecnologías de fabricación que hacen que la fabricación sea bastante económica.

Una forma de reducir el costo es reducir el costo de los chips del módulo óptico. Aquí puede ayudar la tecnología para implementar sistemas a nivel de todo el sustrato ( integración a escala de oblea , WSI). Usando esta tecnología, los fotónicos se colocan en un sustrato de silicio, la electrónica en otro, y luego los sustratos se conectan (un láser hecho no de silicio, sino de otro semiconductor, permanece separado). Este enfoque ahorra costos de producción, ya que permite la producción y el ensamblaje paralelos.

Otro factor de reducción de costos es, por supuesto, el volumen de producción. Supongamos que todo el mercado de gigabit Ethernet óptico es de 50 millones de transceptores por año, y cada chip de transceptor óptico ocupa 25 mm cuadrados. Suponiendo que la fábrica usa sustratos con un diámetro de 200 mm para su producción, y que luego se usa el 100% de los productos fabricados, se requieren 42,000 sustratos para este mercado.

Esto puede parecer un gran número, pero esta cifra en realidad describe solo dos semanas de trabajo en una fábrica típica. En realidad, cualquier fabricante de transceptores puede capturar el 25% del mercado en unos pocos días de producción. Debe haber una manera de aumentar los volúmenes si realmente queremos reducir el costo. La única forma de hacerlo es entender cómo usar la fotónica debajo del interruptor TOR, hasta los procesadores en los servidores.

Si la fotónica de silicio penetra alguna vez donde funcionan todos los sistemas electrónicos, tendrán que aparecer razones técnicas y económicas convincentes. Los componentes tendrán que resolver todos los problemas importantes y mejorar seriamente el sistema en su conjunto. Deben ser pequeños, energéticamente eficientes y extremadamente confiables, y también deben transmitir datos extremadamente rápido.

Hoy en día, no existe una solución que satisfaga todos estos requisitos, por lo que la electrónica continuará desarrollándose sin integración con la óptica. Sin avances serios, los fotones gruesos no llegarán a aquellos lugares del sistema donde dominan los electrones magros. Sin embargo, si los componentes ópticos se pueden producir de manera confiable en volúmenes muy grandes a un precio muy bajo, el sueño de unas pocas décadas de conectar la óptica al procesador y sus arquitecturas asociadas puede hacerse realidad.

En los últimos 15 años, hemos hecho un progreso significativo. Conocemos mejor las tecnologías ópticas y dónde pueden y no pueden usarse en los centros de datos. Se ha desarrollado un robusto mercado comercial multimillonario para componentes ópticos. Los conectores ópticos se han convertido en una parte crítica de la estructura de información global. Sin embargo, integrar una gran cantidad de componentes ópticos en el corazón de los sistemas electrónicos sigue siendo poco práctico. ¿Pero seguirá siendo así? Creo que no