Photonics silikon tersandung pada meter terakhir

Kami telah meletakkan optik ke rumah, tetapi meletakkannya ke prosesor masih bermasalah

Jika menurut Anda hari ini kita berada di ambang revolusi teknologi, bayangkan seperti apa rasanya pada pertengahan 1980-an. Chip silikon menggunakan transistor dengan ukuran karakteristik yang diukur dalam mikron. Sistem serat optik telah menggerakkan triliunan bit di seluruh dunia dengan kecepatan luar biasa. Segalanya tampak mungkin - Anda hanya perlu menggabungkan logika silikon digital, optoelektronika dan transmisi data melalui serat optik.

Insinyur membayangkan bagaimana semua teknologi terobosan ini akan terus berkembang dan bertemu pada titik di mana fotonika bergabung dengan elektronik dan secara bertahap menggantinya. Photonics memungkinkan Anda untuk memindahkan bit tidak hanya antar negara, tetapi juga di dalam pusat data, dan bahkan di dalam komputer. Serat optik akan mentransfer data dari satu chip ke chip - mereka pikir begitu. Dan bahkan chip itu sendiri adalah fotonik - banyak yang percaya bahwa chip logika yang sangat cepat suatu hari nanti akan mulai menggunakan foton daripada elektron.

Secara alami, itu tidak terjadi. Perusahaan dan pemerintah membengkak ratusan juta dolar ke dalam pengembangan komponen fotonik baru dan sistem yang mengintegrasikan rak server komputer di pusat data menggunakan serat optik. Dan hari ini, perangkat fotonik seperti itu benar-benar menghubungkan rak di banyak pusat data. Tapi disinilah foton berhenti. Di dalam rak, masing-masing server terhubung satu sama lain menggunakan kabel tembaga berbiaya rendah dan elektronik berkecepatan tinggi. Dan, tentu saja, konduktor logam ditempatkan di papan itu sendiri, sampai ke prosesor.

Upaya untuk mendorong teknologi ke server sendiri, secara langsung memberi makan serat ke prosesor, didasarkan pada fondasi ekonomi. Memang, ada pasar untuk transceiver optik untuk Ethernet dengan volume hampir $ 4 miliar per tahun, yang seharusnya tumbuh menjadi $ 4,5 miliar dan 50 juta komponen pada tahun 2020, menurut LightCounting, sebuah perusahaan riset pasar. Tetapi fotonik belum melewati beberapa meter terakhir ini, memisahkan rak komputer di pusat data dan prosesor.

Namun, potensi besar teknologi ini terus mendukung impian tersebut. Sejauh ini, masalah teknis tetap signifikan. Tapi sekarang, akhirnya, ide-ide baru tentang skema pusat data menawarkan cara yang layak untuk mengatur revolusi foton, yang dapat membantu menahan masuknya data besar.




Di dalam modul foton

Setiap kali Anda online, menonton TV digital atau melakukan hampir semua tindakan di dunia digital saat ini, Anda menggunakan data yang melewati modul transceiver optik. Dari tugasnya adalah mengubah sinyal antara mode optik dan digital. Perangkat ini hidup di setiap ujung serat optik yang menggerakkan data di dalam pusat data dari setiap layanan cloud besar atau jaringan sosial. Perangkat tancapkan ke sakelar yang terletak di atas rak server dan ubah sinyal optik menjadi sinyal listrik sehingga mereka kemudian menjangkau beberapa server di rak itu. Transceiver juga mengubah data dari server ini menjadi sinyal optik untuk transmisi ke rak lain atau melalui jaringan sakelar ke Internet.

Setiap modul optik berisi tiga komponen utama: pemancar dengan satu atau lebih modulator optik, penerima dengan satu atau lebih fotodioda, dan chip CMOS yang menyandikan dan mendekode data. Silikon biasa memancarkan cahaya dengan sangat buruk, sehingga foton dihasilkan oleh laser yang terpisah dari chip (meskipun dapat ditempatkan di wadah yang sama dengan mereka). Laser tidak mewakili bit dengan menyalakan dan mematikannya - ia dinyalakan sepanjang waktu, dan bit-bit dikodekan dalam berkas cahayanya menggunakan modulator optik.

Modulator ini, jantung dari pemancar, dapat dari berbagai jenis. Terutama sukses dan sederhana disebut modulator Mach-Zehnder. Di dalamnya, pandu gelombang silikon sempit mengarahkan sinar laser. Waveguide bercabang menjadi dua, dan setelah beberapa milimeter mereka kembali bertemu. Dalam situasi normal, garpu dan sambungan seperti itu tidak akan berpengaruh pada keluaran cahaya, karena kedua lengan pandu gelombang memiliki panjang yang sama. Menghubungkan kembali, gelombang cahaya tetap dalam fase satu sama lain. Namun, jika tegangan listrik diterapkan ke satu cabang, ini akan mengubah indeks biasnya, yang akan memperlambat atau mempercepat gelombang cahaya. Akibatnya, setelah pertemuan dua gelombang, mereka secara destruktif saling mengganggu, menekan sinyal. Oleh karena itu, dengan memvariasikan tegangan pada cabang, kami menggunakan sinyal listrik untuk memodulasi optik.

Penerima lebih sederhana: itu hanya fotodioda dan sirkuit pendukungnya. Cahaya, melewati serat optik, mencapai germanium atau silikon-germanium fotodioda penerima, yang menghasilkan arus - biasanya setiap pulsa cahaya dikonversi menjadi tegangan.

Modulator dan penerima dilayani oleh amplifikasi, pemrosesan paket, koreksi kesalahan, buffering, dan tugas-tugas lain yang perlu ditangani untuk memenuhi standar Gigabit Ethernet untuk serat. Berapa banyak tugas yang dilakukan pada chip yang sama atau setidaknya di perumahan yang sama yang mengelola fotonik tergantung pada pabrikannya, tetapi sebagian besar logika elektronik dipisahkan dari fotonik.


Photonics tidak pernah dapat mentransfer data antara berbagai bagian chip silikon. Osilator melingkar dari sakelar optik melakukan fungsi yang sama dengan transistor tunggal, tetapi membutuhkan 10.000 kali luas.

Ada lebih banyak dan lebih banyak sirkuit silikon yang terintegrasi di mana terdapat komponen optik, dan ini dapat membuat Anda berpikir bahwa integrasi fotonik ke dalam prosesor tidak dapat dihindari. Dan untuk beberapa waktu itu dianggap demikian.

Namun, perbedaan yang berkembang antara perampingan chip yang cepat dengan logika elektronik dan ketidakmampuan fotonik untuk mengikutinya telah diremehkan atau bahkan diabaikan. Saat ini, transistor memiliki dimensi karakteristik beberapa nanometer. Dengan teknologi CMOS 7 nm, lebih dari seratus transistor logika tujuan umum dapat ditempatkan pada setiap mikrometer persegi. Dan kita masih belum menyebutkan labirin kabel tembaga kompleks di atas mereka. Selain adanya miliaran transistor pada setiap chip, chip ini juga memiliki selusin tingkat senyawa logam yang menghubungkan transistor ini ke dalam register, pengali, perangkat aritmatika-logika dan struktur yang lebih kompleks yang membentuk inti prosesor dan sirkuit lain yang diperlukan.

Masalahnya adalah bahwa komponen optik yang khas, misalnya, sebuah modulator, tidak dapat dibuat secara signifikan lebih kecil dari panjang gelombang cahaya yang dibawanya - yang membatasi lebar minimumnya hingga 1 mikrometer. Tidak ada hukum Moore yang dapat mengatasi batasan ini. Ini bukan masalah menggunakan teknologi litografi yang semakin maju. Hanya saja elektron - yang panjang gelombangnya beberapa nanometer - ramping, dan fotonnya tebal.

Tapi bisakah produsen mengintegrasikan modulator dan menerima kenyataan bahwa akan ada lebih sedikit transistor pada chip? Lagi pula, miliaran dari mereka sudah ditempatkan di sana? Mereka tidak bisa. Karena banyaknya fungsi sistem yang dapat dilakukan oleh setiap mikrometer kuadrat dari chip elektronik silikon, akan sangat mahal untuk mengganti bahkan tidak banyak transistor dengan komponen optik yang berfungsi lebih buruk.

Penghitungan sederhana. Misalkan rata-rata 100 transistor terletak pada mikrometer persegi. Kemudian modulator optik, menempati area 10 mikron dengan 10 mikron, menggantikan sirkuit, yang terdiri dari 10.000 transistor! Ingatlah bahwa modulator optik konvensional berfungsi sebagai satu-satunya sakelar yang menghidupkan dan mematikan lampu. Tetapi setiap transistor itu sendiri dapat berfungsi sebagai saklar. Oleh karena itu, secara kasar, biaya termasuk fungsi primitif ini dalam rangkaian adalah 10.000: 1, karena ada 10.000 sakelar elektronik untuk setiap modulator optik yang dapat digunakan oleh perancang sirkuit. Tidak ada pabrikan yang akan menerima biaya setinggi itu, bahkan dengan imbalan peningkatan kecepatan dan efisiensi yang nyata, yang dapat diperoleh dari integrasi modulator langsung ke prosesor.

Gagasan mengganti elektronik pada chip dengan fotonik memiliki kelemahan lain. Misalnya, chip melakukan tugas-tugas penting, seperti bekerja dengan memori, yang optiknya tidak memiliki kemampuan. Foton tidak kompatibel dengan fungsi dasar chip komputer. Dan dalam kasus-kasus di mana ini tidak terjadi, tidak masuk akal untuk mengatur persaingan antara komponen optik dan elektronik pada chip yang sama.


Skema pusat data.
Hari ini (kiri), photonics mentransmisikan data melalui jaringan multi-tier. Koneksi internet ada di level atas (utama). Sakelar mentransfer data serat ke sakelar rak atas.
Fotonics besok (di sebelah kanan) akan dapat mengubah arsitektur pusat data. Arsitektur skala rak dapat membuat pusat data lebih fleksibel dengan memisahkan secara fisik komputer dari memori dan menghubungkan sumber daya ini melalui jaringan optik.

Tetapi ini tidak berarti bahwa optik tidak akan dapat mendekati prosesor, memori, dan chip kunci lainnya. Saat ini, pasar komunikasi optik di pusat data berputar di sekitar sakelar atas (TOR), yang mencakup modul optik. Di bagian atas rak dua meter, di mana server, memori, dan sumber daya lainnya dipasang, serat menghubungkan TOR bersama-sama melalui lapisan sakelar yang terpisah. Dan mereka terhubung ke switch lain yang membentuk akses Internet dari pusat data.

Panel TOR yang khas, tempat transceiver macet, memberikan gambaran tentang pergerakan data. Setiap TOR terhubung ke satu transceiver, dan itu, pada gilirannya, terhubung ke dua kabel optik (satu untuk transmisi, yang kedua untuk penerimaan). Dalam TOR dengan ketinggian 45 mm, 32 modul dapat dimasukkan, yang masing-masing mampu mentransmisikan data pada kecepatan 40 Gbit / s di kedua arah, akibatnya data dapat ditransmisikan antara dua rak dengan kecepatan 2,56 Tbit / s.

Namun, di dalam rak dan di dalam server, data masih mengalir melalui kabel tembaga. Dan ini buruk, karena mereka menjadi penghambat penciptaan sistem yang lebih cepat dan lebih hemat energi. Solusi optik dari meter terakhir (atau beberapa meter) - menghubungkan optik ke server atau bahkan langsung ke prosesor - mungkin merupakan peluang terbaik untuk menciptakan pasar besar untuk komponen optik. Tetapi sampai saat itu, hambatan serius harus diatasi baik di bidang harga maupun di bidang kinerja.

Skema yang disebut "fiber to the processor" bukanlah hal baru. Masa lalu memberi kita banyak pelajaran tentang biaya, keandalan, efisiensi energi, dan lebar saluran. Sekitar 15 tahun yang lalu, saya berpartisipasi dalam desain dan konstruksi transceiver eksperimental yang menunjukkan bandwidth yang sangat tinggi. Demonstrasi menghubungkan kabel 12 inti optik dengan prosesor. Setiap inti mentransmisikan sinyal digital yang dihasilkan secara terpisah oleh empat laser yang memancarkan permukaan dengan resonator vertikal (VCSEL). Ini adalah dioda laser yang memancarkan cahaya dari permukaan chip, dan cahayanya memiliki kepadatan yang lebih tinggi daripada dioda laser konvensional. Empat VCSEL mengkodekan bit dengan menyalakan dan mematikan lampu, dan masing-masing dari mereka bekerja pada frekuensi sendiri di inti yang sama, yang melipatgandakan throughputnya karena multipleks spektral kasar dari saluran . Karena itu, jika setiap VCSEL menghasilkan aliran data 25 Gbit / s, maka total throughput sistem mencapai 1,2 Tbit / s. Saat ini, standar industri untuk jarak antara kabel yang berdekatan dalam kabel 12-kawat adalah 0,25 mm, yang memberikan kepadatan throughput 0,4 Tbps / mm. Dengan kata lain, dalam 100 detik setiap milimeter dapat memproses data sebanyak yang disimpan arsip web Perpustakaan Kongres AS dalam sebulan.

Saat ini, bahkan kecepatan yang lebih tinggi diperlukan untuk mentransfer data dari optik ke prosesor, tetapi awalnya tidak buruk. Mengapa teknologi ini tidak diterima? Sebagian karena sistem ini tidak cukup andal dan tidak praktis. Pada saat itu, sangat sulit untuk membuat 48 VCSEL untuk pemancar dan untuk memastikan bahwa tidak ada kegagalan selama masa pakainya. Pelajaran penting adalah bahwa satu laser dengan banyak modulator dapat dibuat jauh lebih andal daripada 48 laser.

Saat ini, keandalan VCSEL telah meningkat sedemikian rupa sehingga transceiver yang menggunakan teknologi ini dapat digunakan sebagai solusi untuk jarak pendek di pusat data. Core optik dapat diganti dengan optik multicore yang membawa jumlah data yang sama, mengarahkan mereka ke utas berbeda di dalam serat utama. Baru-baru ini, menjadi mungkin untuk menerapkan standar yang lebih kompleks untuk mentransmisikan data digital - misalnya, PAM4 , yang meningkatkan kecepatan transfer data menggunakan bukan dua, tetapi empat nilai daya cahaya. Studi sedang dilakukan untuk meningkatkan kepadatan bandwidth dalam sistem transmisi data dari optik ke prosesor - misalnya, program Shine dari MIT memungkinkan kita untuk mencapai kerapatan 17 kali lebih tinggi daripada yang tersedia untuk kita 15 tahun yang lalu.

Semua ini adalah terobosan yang cukup signifikan, tetapi secara bersama-sama, itu tidak akan cukup untuk memungkinkan fotonics untuk mengambil langkah selanjutnya menuju prosesor. Namun, saya masih berpikir bahwa langkah seperti itu mungkin - karena sekarang gerakan untuk mengubah arsitektur sistem pusat data sedang mendapatkan momentum.

Hari ini, prosesor, memori dan sistem penyimpanan dirakit dalam apa yang disebut server blade , yang lampiran khususnya terletak di rak. Tetapi ini tidak perlu. Alih-alih menempatkan memori pada chip di server, itu dapat ditempatkan secara terpisah - di yang sama, atau bahkan di rak lain. Diyakini bahwa arsitektur skala rak (RSA) seperti itu dapat lebih efisien menggunakan sumber daya komputasi, terutama untuk jejaring sosial seperti Facebook, di mana jumlah komputasi dan memori yang dibutuhkan untuk menyelesaikan masalah terus bertambah. Ini juga menyederhanakan tugas servis dan penggantian peralatan.

Mengapa konfigurasi ini membantu photonics untuk menembus lebih dalam? Karena kesederhanaan perubahan konfigurasi dan alokasi sumber daya yang dinamis yang Anda mampu berkat generasi baru switch optik efisien dan murah yang mengirimkan beberapa terabit per detik.


Teknologi menghubungkan optik langsung ke prosesor telah ada selama lebih dari 10 tahun

Hambatan utama untuk perubahan pusat data ini adalah biaya komponen dan produksinya. Photonics silikon sudah memiliki satu keunggulan biaya - dapat memanfaatkan fasilitas produksi yang ada, infrastruktur pembuatan chip besar, dan keandalannya. Namun, silikon dan cahaya bergabung secara tidak sempurna: selain mengganggu ketidakefisienan dalam emisi cahaya, komponen silikon juga menderita kerugian cahaya yang besar. Transceiver optik silikon tipikal menunjukkan kehilangan optik 10 dB (90%). Ketidakefisienan ini tidak masalah untuk hubungan pendek antara sakelar TOR, karena sejauh ini potensi keuntungan biaya silikon melebihi kerugiannya.

Bagian penting dari biaya modul optik silikon adalah detail sederhana namun kritis seperti koneksi optik. Ini adalah koneksi fisik serat optik dan penerima atau pemancar, dan koneksi antara serat. Setiap tahun, ratusan juta konektor optik-optik harus diproduksi dengan presisi tertinggi. Untuk membayangkan keakuratan ini, perhatikan bahwa diameter rambut manusia biasanya hanya sedikit lebih kecil dari diameter untai tunggal serat gelas kuarsa dari 125 mikron yang digunakan untuk menghubungkan kabel optik. Akurasi yang diperlukan untuk menyelaraskan serat di konektor adalah dari urutan 100 nm - seperseribu ketebalan rambut manusia - atau sinyalnya akan memudar terlalu banyak. Penting untuk mengembangkan metode inovatif untuk pembuatan konektor untuk dua kabel dan untuk menghubungkan kabel ke transceiver untuk memenuhi permintaan pelanggan yang berkembang untuk akurasi tinggi dan biaya rendah. Namun, ada beberapa teknologi manufaktur yang membuat pembuatan cukup murah.

Salah satu cara untuk mengurangi biaya adalah dengan mengurangi biaya chip dari modul optik. Di sini teknologi untuk menerapkan sistem di tingkat seluruh substrat ( integrasi skala wafer , WSI) dapat membantu. Dengan menggunakan teknologi ini, fotonik ditempatkan pada satu substrat silikon, elektronik pada substrat lainnya, dan kemudian substrat dihubungkan (laser yang dibuat bukan dari silikon, tetapi dari semikonduktor lain, tetap terpisah). Pendekatan ini menghemat biaya produksi, karena memungkinkan untuk produksi dan perakitan paralel.

Faktor lain dari pengurangan biaya tentu saja adalah volume produksi. Misalkan seluruh pasar Ethernet gigabit optik adalah 50 juta transceiver per tahun, dan setiap chip transceiver optik menempati 25 mm persegi. Dengan asumsi bahwa pabrik menggunakan substrat dengan diameter 200 mm untuk produksinya, dan kemudian 100% dari produk yang diproduksi digunakan, 42.000 substrat diperlukan untuk pasar ini.

Ini mungkin tampak seperti jumlah yang besar, tetapi angka ini sebenarnya hanya menggambarkan dua minggu kerja di pabrik biasa. Pada kenyataannya, setiap produsen transceiver dapat menangkap 25% pasar dalam beberapa hari produksi. Harus ada cara untuk meningkatkan volume jika kita ingin benar-benar mengurangi biaya. Satu-satunya cara untuk melakukan ini adalah memahami cara menggunakan fotonik di bawah sakelar TOR, sampai ke prosesor di server.

Jika fotonika silikon menembus di mana semua sistem elektronik bekerja, alasan teknis dan ekonomi yang meyakinkan harus muncul. Komponen harus menyelesaikan semua masalah penting dan secara serius meningkatkan sistem secara keseluruhan. Mereka harus kecil, hemat energi dan sangat andal, dan juga harus mengirimkan data dengan sangat cepat.

Saat ini, solusi yang memenuhi semua persyaratan ini tidak ada, sehingga elektronik akan terus berkembang tanpa integrasi dengan optik. Tanpa terobosan serius, foton tebal tidak akan sampai ke tempat-tempat sistem di mana elektron ramping mendominasi. Namun, jika komponen optik dapat diproduksi dengan andal dalam volume yang sangat besar dengan harga yang sangat rendah, impian beberapa dekade tentang menghubungkan optik ke prosesor dan arsitektur yang terkait dapat menjadi kenyataan.

Selama 15 tahun terakhir, kami telah membuat kemajuan yang signifikan. Kami lebih berpengalaman dalam teknologi optik dan di mana mereka bisa dan tidak dapat digunakan di pusat data. Pasar komersial multi-miliar dolar yang kuat untuk komponen optik telah dikembangkan. Konektor optik telah menjadi bagian penting dari struktur informasi global. Namun, mengintegrasikan sejumlah besar komponen optik ke jantung sistem elektronik tetap tidak praktis. Tapi apakah akan tetap seperti itu? Saya kira tidak.