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Portare luce ai computer
I ricercatori di IBM hanno recentemente annunciato uno switch in silicio su scala nanometrica in grado di dirigere trilioni di bit di dati al secondo all'interno di una rete ottica. Il passaggio potrebbe consentire di incorporare la velocità e la larghezza di banda di una rete di telecomunicazioni in un personal computer, affermano i ricercatori. Questo è un obiettivo sempre più importante per gli ingegneri che cercano il miglior design per le future macchine multicore: computer con più di un centro di elaborazione.
Dirigere il traffico: IBM ha sviluppato switch in silicio che possono essere utilizzati per controllare il flusso di dati nelle reti ottiche su chip. Ciascuno degli otto interruttori sopra è costituito da cinque risonatori a forma di anello. L'immagine è stata scattata con un microscopio ottico.
Il progresso offre ai ricercatori un maggiore controllo su dove sono diretti i bit in una rete ottica più piccola di un'unghia. Stiamo parlando di instradare un terabit al secondo attraverso un singolo switch, afferma William Green, un ricercatore IBM che ha lavorato al progetto. Tali prestazioni sono paragonabili a quelle ottenute da rack molto grandi di apparecchiature montate per telecomunicazioni in fibra ottica.
I computer di fascia alta di oggi sono dotati di due o quattro core di elaborazione generale, ma entro il prossimo decennio gli ingegneri si aspettano di costruire computer con decine di core. Uno dei problemi principali con la realizzazione di una macchina multi-core è che non è chiaro come consentire a tutti i core di comunicare in modo efficiente tra loro e con altri componenti del computer che si trovano fuori dal chip, come la memoria. Attualmente, tutta questa comunicazione viene condotta su fili metallici incisi in chip e circuiti stampati. Ma i fili hanno una resistenza intrinseca, che limita la velocità dei dati. Inoltre, gli elettroni che scorrono possono produrre interferenze elettriche e calore che possono causare errori di calcolo.
I dispositivi ottici e le guide d'onda incorporati nello stesso silicio utilizzato per realizzare i chip sono alternative promettenti ai componenti elettronici e ai fili metallici. Negli ultimi anni, c'è stata una marea di attività in questo campo, nota come fotonica al silicio, da IBM, Intel, Sun Microsystems, Hewlett Packard, MIT, Columbia University e University of Southern California, solo per citarne alcuni. I ricercatori hanno costantemente creato dispositivi a base di silicio sempre più efficienti, come laser, modulatori che codificano i dati sulla luce, rilevatori e filtri che ripuliscono i segnali mentre viaggiano attraverso una rete. In effetti, Sun Microsystems ha recentemente ricevuto un contratto da 44 milioni di dollari dal Pentagono degli Stati Uniti per studiare approcci per sostituire i fili metallici con fasci di luce.
Sebbene ci siano molti elementi necessari per le reti ottiche intracomputer, l'annuncio dello switch di IBM è un passo importante per rendere pratico un tale sistema. Ci sono stati molti progressi nella fotonica del silicio, afferma Fantastico Bergman , professore di ingegneria elettrica alla Columbia University, ma lo switch di IBM è molto importante per poter realizzare reti ottiche su chip. Poiché il dispositivo indirizza una serie di diverse lunghezze d'onda della luce a varie parti di un chip o del sistema, gli ingegneri non hanno bisogno di costruire guide d'onda punto-punto per ciascuna destinazione in un sistema. Ciò consente di generare e instradare i fotoni verso più destinazioni in modo più efficiente, afferma Bergman.
Il passaggio di IBM, descritto in un recente articolo in Fotonica della natura , è costituito da anelli risonanti collegati incisi nel silicio. Gli anelli sono alti solo 200 nanometri, molto più piccoli delle dimensioni delle fibre ottiche che normalmente trasportano la luce. Quando l'interruttore è acceso, gli elettroni vengono inviati a un anello specifico. Questi elettroni cambiano il modo in cui l'anello risuona, bloccando efficacemente il passaggio della luce. La luce rimbalza sul risonatore e viene riflessa in un'altra direzione.
Il design è unico per una serie di motivi, spiega Green. Innanzitutto, l'interruttore non filtra la luce in base alla sua lunghezza d'onda, a differenza degli interruttori utilizzati nelle reti di telecomunicazioni che devono instradare tipi specifici di luce verso destinazioni specifiche. E più lunghezze d'onda della luce passano attraverso una rete su chip, più larghezza di banda è disponibile.
Una seconda caratteristica distintiva, osserva Green, è che lo switch di IBM è in grado di sopportare una variazione di circa 30 °C, fondamentale per garantire l'affidabilità della rete. All'interno di un dato microprocessore, dice Green, i punti caldi si muovono sulla superficie del chip in funzione del numero di crunching. Se queste interconnessioni ottiche sono distribuite su tutta la superficie, dice, gli ingegneri devono assicurarsi che i punti caldi non cambino le proprietà dei dispositivi, in modo che i dati possano arrivare inalterati a ciascuna estremità del chip. La resistenza alla temperatura dell'interruttore, afferma Green, è dovuta, in parte, al passaggio di più lunghezze d'onda della luce. Quando l'interruttore cambia temperatura, cambia anche le proprietà, il che provoca il blocco di alcune lunghezze d'onda della luce. Ma poiché l'interruttore è stato progettato per instradare un ampio spettro, può ancora funzionare in un ambiente con una temperatura variabile.
Green dice che potrebbero volerci dai cinque ai dieci anni prima che questo interruttore trovi la sua strada in una macchina commerciale. IBM ha già realizzato modulatori ottici in silicio ultrapiccoli, ma, dice, ci vorranno anni per integrare il modulatore, lo switch e altri componenti con l'elettronica del chip.
In effetti, la promessa della fotonica del silicio produce una nuova sfida: come riprogettare un computer per comunicare con la luce invece che con gli elettroni. Come si progetta una rete interconnessa che sfrutti davvero l'ottica? chiede Bergman. Non puoi seguire le regole di progettazione della rete dell'elettronica, dice. Ci sono molte cose che si evolveranno drammaticamente man mano che andiamo avanti.