Fotônica de silício tropeça no último medidor

Já colocamos a ótica em casa, mas colocá-la no processador ainda é problemática

Se lhe parece que hoje estamos à beira de uma revolução tecnológica, imagine como foi em meados dos anos 80. Os chips de silício usavam transistores com um tamanho característico medido em mícrons. Os sistemas de fibra óptica movem trilhões de bits em todo o mundo a uma velocidade tremenda. Tudo parecia possível - basta combinar lógica digital de silício, optoeletrônica e transmissão de dados via fibra ótica.

Os engenheiros imaginaram como todas essas tecnologias inovadoras continuariam evoluindo e convergindo no ponto em que a fotônica se fundia com a eletrônica e a substituía gradualmente. O Photonics permitiria que você movesse bits não apenas entre países, mas também dentro de data centers e até dentro de computadores. A fibra óptica transferia dados de chip para chip - eles pensavam que sim. E até os próprios chips seriam fotônicos - muitos acreditavam que chips lógicos incrivelmente rápidos um dia começariam a usar fótons em vez de elétrons.

Naturalmente, não chegou a isso. Empresas e governos investiram centenas de milhões de dólares no desenvolvimento de novos componentes e sistemas fotônicos que integram racks de servidores de computador em data centers usando fibra ótica. E hoje, esses dispositivos fotônicos realmente conectam os racks em muitos data centers. Mas é aqui que os fótons param. Dentro do rack, servidores individuais são conectados entre si usando fios de cobre de baixo custo e eletrônicos de alta velocidade. E, é claro, os condutores de metal são colocados nas próprias placas, até o processador.

As tentativas de inserir a tecnologia nos próprios servidores, alimentando diretamente a fibra dos processadores, foram baseadas em uma base econômica. De fato, existe um mercado para transceptores ópticos para Ethernet com um volume de quase US $ 4 bilhões por ano, que deve crescer para US $ 4,5 bilhões e 50 milhões de componentes até 2020, segundo a LightCounting, empresa de pesquisa de mercado. Mas a fotônica não passou esses últimos metros, separando o rack do computador no data center e no processador.

No entanto, o enorme potencial dessa tecnologia continuou a apoiar o sonho. Até agora, os problemas técnicos permanecem significativos. Mas agora, finalmente, novas idéias sobre esquemas de data center estão oferecendo maneiras viáveis ​​de organizar a revolução do fóton, o que pode ajudar a conter o influxo de big data.




Dentro do módulo de fótons

Toda vez que você entra on-line, assiste TV digital ou realiza quase qualquer ação no mundo digital de hoje, usa os dados que passaram pelos módulos do transceptor óptico. A tarefa é converter o sinal entre os modos óptico e digital. Esses dispositivos residem em cada extremidade da fibra óptica que direciona os dados para dentro do data center de qualquer grande serviço em nuvem ou rede social. Os dispositivos são conectados ao switch localizado na parte superior do rack do servidor e transformam os sinais ópticos em sinais elétricos, para que eles alcancem vários servidores nesse rack. Os transceptores também convertem dados desses servidores em sinais ópticos para transmissão a outros racks ou através de uma rede de switches na Internet.

Cada módulo óptico contém três componentes principais: um transmissor com um ou mais moduladores ópticos, um receptor com um ou mais fotodiodos e chips CMOS que codificam e decodificam dados. O silício comum emite muito pouca luz; portanto, os fótons são gerados por um laser separado dos chips (embora possa ser colocado no mesmo compartimento que eles). O laser não representa bits ativando e desativando - ele é ligado o tempo todo e os bits são codificados no feixe de luz usando um modulador óptico.

Este modulador, o coração do transmissor, pode ser de diferentes tipos. Especialmente bem-sucedido e simples é chamado de modulador Mach-Zehnder. Nele, um guia de ondas de silício estreito direciona a luz do laser. O guia de ondas se ramifica em dois e, depois de alguns milímetros, convergem novamente. Em uma situação normal, esse garfo e conexão não afetariam a saída de luz, pois os dois braços do guia de ondas têm o mesmo comprimento. Conectando de volta, as ondas de luz permanecem em fase uma com a outra. No entanto, se uma tensão elétrica for aplicada a um ramo, isso mudará seu índice de refração, o que desacelerará ou acelerará a onda de luz. Como resultado, após o encontro de duas ondas, elas interferem destrutivamente entre si, suprimindo o sinal. Portanto, variando a tensão na ramificação, usamos um sinal elétrico para modular a óptica.

O receptor é mais simples: é apenas um fotodiodo e seus circuitos de suporte. A luz, passando através da fibra óptica, atinge o fotodiodo de germânio ou silício-germânio do receptor, que produz corrente - geralmente todo pulso de luz é convertido em voltagem.

O modulador e o receptor são atendidos por amplificação, processamento de pacotes, correção de erros, buffer e outras tarefas que precisam ser endereçadas para atender ao padrão Gigabit Ethernet para fibra. Quantas tarefas são executadas no mesmo chip ou pelo menos no mesmo compartimento que gerencia a fotônica depende do fabricante, mas a maior parte da lógica eletrônica é separada da fotônica.


A Photonics nunca pode transferir dados entre diferentes partes de um chip de silício. O oscilador circular do comutador óptico desempenha a mesma função que um único transistor, mas ocupa 10.000 vezes a área.

Existem cada vez mais circuitos integrados de silício nos quais existem componentes ópticos, e isso pode fazer você pensar que a integração da fotônica no processador era inevitável. E por algum tempo foi pensado assim.

No entanto, a crescente discrepância entre a rápida redução de tamanho dos chips lógicos eletrônicos e a incapacidade dos fotônicos de acompanhá-los foi subestimada ou mesmo ignorada. Hoje, os transistores têm dimensões características de vários nanômetros. Com a tecnologia CMOS de 7 nm, mais de cem transistores lógicos de uso geral podem ser colocados em cada micrômetro quadrado. E ainda não mencionamos o labirinto de fios de cobre complexos acima deles. Além da presença de bilhões de transistores em cada chip, ele também possui uma dúzia de níveis de conexões metálicas que conectam esses transistores a registradores, multiplicadores, dispositivos de lógica aritmética e estruturas mais complexas que compõem os núcleos do processador e outros circuitos necessários.

O problema é que um componente óptico típico, por exemplo, um modulador, não pode ser significativamente menor que o comprimento de onda da luz que ele carrega - o que limita sua largura mínima a 1 micrômetro. Nenhuma lei de Moore pode superar essa limitação. Não se trata de usar tecnologias litográficas cada vez mais avançadas. Apenas os elétrons - cujo comprimento de onda é de alguns nanômetros - são magros e os fótons são grossos.

Mas os fabricantes podem simplesmente integrar o modulador e aceitar o fato de que haverá menos transistores no chip? Afinal, bilhões deles já estão sendo colocados lá? Eles não podem. Devido ao grande número de funções do sistema que cada micrômetro quadrado de um chip eletrônico de silício pode executar, será muito caro substituir até muito poucos transistores por componentes ópticos com pior desempenho.

Contagem simples. Suponha que uma média de 100 transistores esteja localizada em um micrômetro quadrado. Então, um modulador óptico, ocupando uma área de 10 mícrons por 10 mícrons, substitui o circuito, consistindo em 10.000 transistores! Lembre-se de que um modulador óptico convencional atua como o único interruptor que liga e desliga as luzes. Mas cada transistor em si pode funcionar como um comutador. Portanto, grosso modo, o custo de inclusão dessa função primitiva no circuito é de 10.000: 1, uma vez que existem 10.000 comutadores eletrônicos para cada modulador óptico que podem ser usados ​​pelo projetista do circuito. Nenhum fabricante aceitará um custo tão alto, mesmo em troca de um aumento tangível de velocidade e eficiência, que pode ser obtido com a integração de moduladores diretamente no processador.

A idéia de substituir eletrônicos em chips por fotônicos tem outras desvantagens. Por exemplo, o chip executa tarefas críticas, como trabalhar com memória, para as quais a óptica não possui recursos. Os fótons são simplesmente incompatíveis com as funções básicas de um chip de computador. E nos casos em que não é esse o caso, não faz sentido organizar uma competição entre componentes ópticos e eletrônicos no mesmo chip.


O esquema do data center.
Hoje (esquerda), a fotônica transmite dados por uma rede de várias camadas. A conexão à Internet está no nível superior (principal). O comutador transfere dados de fibra para os comutadores superiores do rack.
Amanhã (à direita), a fotônica poderá alterar a arquitetura dos data centers. Uma arquitetura em escala de rack pode tornar os data centers mais flexíveis, separando fisicamente os computadores da memória e vinculando esses recursos em uma rede óptica.

Mas isso não significa que a ótica não será capaz de se aproximar de processadores, memória e outros chips-chave. Hoje, o mercado de comunicações ópticas em data centers gira em torno de switches top-of-rack (TORs), que incluem módulos ópticos. Na parte superior dos racks de dois metros, nos quais servidores, memória e outros recursos estão instalados, a fibra conecta os TORs por meio de uma camada separada de switches. E eles estão conectados a outro conjunto de comutadores que formam o acesso à Internet do data center.

O painel TOR típico, onde os transceptores estão presos, dá uma idéia do movimento dos dados. Cada TOR se conecta a um transceptor e, por sua vez, se conecta a dois cabos ópticos (um para transmissão e o segundo para recepção). Em um TOR com uma altura de 45 mm, podem ser inseridos 32 módulos, cada um capaz de transmitir dados a uma velocidade de 40 Gbit / s em ambas as direções, como resultado dos quais os dados podem ser transmitidos entre dois racks a uma velocidade de 2,56 Tbit / s.

No entanto, dentro de racks e servidores, os dados ainda fluem através de fios de cobre. E isso é ruim, porque eles se tornam um obstáculo à criação de sistemas mais rápidos e com maior eficiência energética. As soluções ópticas do último medidor (ou alguns metros) - conectando a óptica ao servidor ou mesmo diretamente ao processador - são provavelmente a melhor oportunidade para criar um enorme mercado para componentes ópticos. Mas até então, sérios obstáculos devem ser superados, tanto no campo dos preços quanto no desempenho.

Esquemas chamados "fibra para o processador" não são novos. O passado nos dá muitas lições sobre custo, confiabilidade, eficiência energética e largura do canal. Há cerca de 15 anos, participei do projeto e construção de um transceptor experimental que demonstrou uma largura de banda muito alta. A demonstração conectou um cabo de 12 núcleos ópticos a um processador. Cada núcleo transmitiu sinais digitais gerados separadamente por quatro lasers emissores de superfície com um ressonador vertical (VCSEL). Este é um diodo laser que emite luz da superfície do chip e a luz tem uma densidade mais alta que os diodos laser convencionais. Quatro bits codificados em VCSEL ligando e desligando a luz, e cada um deles trabalhou com sua própria frequência no mesmo núcleo, o que quadruplicou sua taxa de transferência devido à grosseira multiplexação espectral dos canais . Portanto, se cada VCSEL produzisse um fluxo de dados de 25 Gbit / s, a taxa de transferência total do sistema alcançaria 1,2 Tbit / s. Hoje, o padrão da indústria para a distância entre os fios adjacentes em um cabo de 12 fios é de 0,25 mm, o que fornece uma densidade de transferência de 0,4 Tbps / mm. Em outras palavras, em 100 segundos cada milímetro pode processar tantos dados quanto o arquivo da web da Biblioteca do Congresso dos EUA armazena em um mês.

Hoje, são necessárias velocidades ainda mais altas para transferir dados da ótica para o processador, mas o começo não foi ruim. Por que essa tecnologia não é aceita? Em parte porque esse sistema não era confiável o suficiente e impraticável. Naquela época, era muito difícil fabricar 48 VCSELs para o transmissor e garantir que não houvesse falhas durante sua vida útil. Uma lição importante foi que um laser com muitos moduladores pode ser muito mais confiável do que 48 lasers.

Hoje, a confiabilidade do VCSEL aumentou tanto que os transceptores que usam essa tecnologia podem ser usados ​​em soluções para distâncias curtas em data centers. Os núcleos ópticos podem ser substituídos por ópticas multicore que transportam a mesma quantidade de dados, redirecionando-os para diferentes threads dentro da fibra principal. Recentemente, também se tornou possível implementar padrões mais complexos para a transmissão de dados digitais - por exemplo, o PAM4 , que aumenta a taxa de transferência de dados usando não dois, mas quatro valores de energia luminosa. Estão em andamento estudos para aumentar a densidade da largura de banda nos sistemas de transmissão de dados, da óptica ao processador - por exemplo, o programa Shine do MIT nos permite atingir uma densidade 17 vezes maior do que a disponível há 15 anos.

Todos esses são avanços bastante significativos, mas, juntos, não serão suficientes para permitir que a fotônica dê o próximo passo em direção ao processador. No entanto, ainda acho que esse passo é possível - já que agora o movimento para mudar a arquitetura do sistema dos data centers está ganhando força.

Atualmente, processadores, sistemas de memória e armazenamento são montados no chamado servidores blade , cujos gabinetes especiais estão localizados em racks. Mas isso não é necessário. Em vez de colocar a memória nos chips no servidor, ela pode ser colocada separadamente - no mesmo ou em outro rack. Acredita-se que essa arquitetura em escala de rack (RSA) possa usar com mais eficiência os recursos de computação, especialmente para redes sociais como o Facebook, onde a quantidade de computação e memória necessária para solucionar problemas aumenta com o tempo. Também simplifica a tarefa de manutenção e substituição de equipamentos.

Por que essa configuração ajuda a fotônica a penetrar mais fundo? Por causa da simplicidade das alterações de configuração e da alocação dinâmica de recursos que você pode pagar, graças a uma nova geração de switches ópticos eficientes e baratos que transmitem vários terabits por segundo.


A tecnologia de conexão óptica diretamente ao processador existe há mais de 10 anos

O principal obstáculo a essa mudança nos data centers é o custo dos componentes e sua produção. A fotônica de silício já tem uma vantagem de custo - pode aproveitar as instalações de produção existentes, uma enorme infraestrutura de fabricação de chips e sua confiabilidade. No entanto, silício e luz combinam-se imperfeitamente: além de interferir nas ineficiências na emissão de luz, os componentes de silício sofrem grandes perdas de luz. Um transceptor óptico de silicone típico mostra uma perda óptica de 10 dB (90%). Essa ineficiência não importa para conexões curtas entre comutadores TOR, porque até agora a vantagem de custo potencial do silício supera suas desvantagens.

Uma parte importante do custo de um módulo óptico de silício é um detalhe modesto, mas crítico, como uma conexão óptica. Essa é a conexão física da fibra óptica e o receptor ou transmissor, e a conexão entre as fibras. Todos os anos, centenas de milhões de conectores ópticos precisam ser fabricados com a mais alta precisão. Para imaginar essa precisão, observe que o diâmetro de um cabelo humano geralmente é apenas ligeiramente menor que o diâmetro de um único fio de fibra de vidro de quartzo de 125 mícrons usado para conectar cabos ópticos. A precisão com a qual é necessário alinhar a fibra no conector é da ordem de 100 nm - um milésimo da espessura de um cabelo humano - ou o sinal diminuirá demais. É necessário desenvolver métodos inovadores para fabricar conectores para dois cabos e conectar um cabo a um transceptor, a fim de atender às crescentes demandas dos clientes por alta precisão e baixo custo. No entanto, existem muito poucas tecnologias de fabricação que tornam a fabricação bastante barata.

Uma maneira de reduzir o custo é reduzir o custo dos chips do módulo óptico. Aqui, a tecnologia para implementar sistemas no nível de todo o substrato ( integração em escala de wafer , WSI) pode ajudar. Usando essa tecnologia, os fotônicos são colocados em um substrato de silício, os eletrônicos em outro e, em seguida, os substratos são conectados (um laser feito não de silício, mas de outro semicondutor permanece separado). Essa abordagem economiza em custos de produção, pois permite produção e montagem paralelas.

Outro fator de redução de custos é, obviamente, o volume de produção. Suponha que todo o mercado de Ethernet de gigabit óptico seja de 50 milhões de transceptores por ano e cada chip de transceptor óptico ocupe 25 mm quadrados. Supondo que a fábrica utilize substratos com um diâmetro de 200 mm para sua produção e que 100% dos produtos fabricados sejam utilizados, são necessários 42.000 substratos para este mercado.

Pode parecer um número grande, mas na verdade essa figura descreve apenas duas semanas de trabalho em uma fábrica típica. Na realidade, qualquer fabricante de transceptores pode capturar 25% do mercado em poucos dias de produção. Deve haver uma maneira de aumentar os volumes, se queremos realmente reduzir o custo. A única maneira de fazer isso é entender como usar a fotônica abaixo do comutador TOR, até os processadores nos servidores.

Se a fotônica do silício penetrar onde todos os sistemas eletrônicos funcionam, razões técnicas e econômicas convincentes terão que aparecer. Os componentes terão que resolver todos os problemas importantes e melhorar seriamente o sistema como um todo. Eles devem ser pequenos, eficientes em termos energéticos e extremamente confiáveis, e também devem transmitir dados extremamente rapidamente.

Hoje, não existe uma solução que atenda a todos esses requisitos; portanto, a eletrônica continuará a se desenvolver sem integração com a óptica. Sem avanços sérios, fótons grossos não continuarão caindo nos locais do sistema onde os elétrons magros dominam. No entanto, se os componentes ópticos puderem ser produzidos de maneira confiável em volumes muito grandes a um preço muito baixo, o sonho de algumas décadas atrás sobre conectar a óptica ao processador e suas arquiteturas associadas pode se tornar realidade.

Nos últimos 15 anos, fizemos um progresso significativo. Somos mais versados ​​em tecnologias ópticas e onde elas podem e não podem ser usadas em data centers. Um robusto mercado comercial de vários bilhões de dólares para componentes ópticos foi desenvolvido. Os conectores ópticos se tornaram uma parte crítica da estrutura global de informações. No entanto, a integração de um grande número de componentes ópticos no coração dos sistemas eletrônicos permanece impraticável. Mas continuará assim? Eu acho que não.