Сделано в IBM Labs: Оптический чип Holey Optochip первым осуществил передачу триллиона бит данных в секунду, используя энергию света

Ученые корпорации IBM  сообщили о создании прототипа оптического чипсета (функционального набора микросхем), получившего название "Holey Optochip", который является первым параллельным оптическим трансивером (приемопередающим модулем), способным передавать один триллион бит – или один терабит – данных в секунду, что эквивалентно одновременной загрузке 500 фильмов высокого разрешения. Доклад о сверхбыстром опточипе IBM  был представлен на конференции Optical Fiber Communication Conference (OFC), прошедшей в Лос-Анджелесе с 4 по 8 марта 2012 г.

Благодаря способности передавать информацию на сверхвысоких скоростях – в восемь раз быстрее, чем существующие сегодня параллельные оптические линии связи – эта прорывная технология может преобразовать то, как осуществляется доступ, обмен и использование данных в новую эру коммуникаций, вычислительной техники и цифровых развлечений. Чистая скорость (raw speed) одного трансивера, построенного на революционном опточипе, эквивалентна пропускной способности канала, который используют 100 тыс. пользователей с обычным на сегодняшний день высокоскоростным Интернет-доступом в 10 Мбит/с. Иными словами, передача через новый оптический трансивер всего Web-архива Библиотеки конгресса США займет не более часа.

Прогресс в области оптической связи во многом обусловлен бумом новых технологий, приложений и сервисов на фоне продолжающегося стремительного роста объемов данных, которые генерируются и передаются по внутрикорпоративным и общедоступным сетям. Новейшее достижение IBM на этом направлении – скорость передачи информации в 1 Тбит/с – позволит в ближайшей перспективе обеспечить пропускную способность, достаточную для обработки огромного массива данных, в том числе контента социальных сетей, фото и видео, выложенных онлайн, данных, поступающих от датчиков самого разного назначения; истории онлайн транзакций и многих другие виды информации.

«Достижение скорости передачи данных в один триллион бит в секунду с помощью Holey Optochip - новый важный шаг IBM на пути создания компактных чипов-трансиверов, способных обрабатывать громадные объемы трафика в эпоху Больших данных — отметил Клинт Шоу (Clint Schow), член команды исследователей IBM Research, разработавших прототип опточипа. — Мы упорно и последовательно добивались все более высоких уровней интеграции, энергетической эффективности и производительности для всех оптических компонентов. Наши усилия направлены на дальнейшее совершенствование технологии с целью создания в ближайшем десятилетии коммерческого продукта на основе прототипа. Для этого мы будем активно сотрудничать с нашими партнерами из производственной сферы».

Оптические сетевые технологии открывают возможности для значительного увеличения скорости передачи информации за счет ускорения потока данных благодаря использованию световых импульсов вместо электронов, протекающих по проводам. Исходя из этого потенциала, исследователи ищут методики и технологические решения, позволяющие реализовать стандартизированное высокорентабельное крупномасштабное производство опточипов для широкого применения.

Используя новый новаторский подход, инженеры лаборатории IBM создали Holey Optochip, проделав 48 отверстий в стандартном 90-нм КМОП-чипе (CMOS chip). Отверстия обеспечивают «оптический доступ» (прохождение световых импульсов) через заднюю (тыльную) часть чипа к 24 приемным каналам и 24 передающим каналам. Такая технология позволила создать ультракомпактный, высокопроизводительный и энергетически эффективный оптический приемопередающий модуль, способный обеспечивать рекордные скорости передачи данных.

Компактность и высокая пропускная способность, которые присущи оптическим коммуникационным каналам, становятся незаменимыми характеристиками при проектировании систем, обрабатывающих большие объемы данных. Принимая это во внимание, разработчики построили модуль Holey Optochip из коммерчески доступных сегодня компонентов, что открывает потенциальную возможность его удешевления при крупномасштабном производстве.

Отвечая экологическим требованиям в рамках концепции «зеленых» вычислений (green computing), Holey Optochip достигает рекордной скорости передачи данных при показателе энергетической эффективности (характеризующим количество энергии, необходимой для передачи бита информации), который является одним из лучших среди когда-либо зарегистрированных аналогичных результатов. Трансивер потребляет менее 5 Вт энергии, таким образом, мощность, потребляемая 100-ваттной электрической лампочкой, может обеспечить питание 20-ти таких трансиверов. Такой прогресс в реализации энергосберегающих межсоединений очень важен для компаний, использующих высокопроизводительные вычислительные системы, поскольку позволяет управлять энергетической нагрузкой при выполнении энергоемких приложений, таких как аналитика, моделирование данных и прогнозирование.

Демонстрируя непревзойденный уровень производительности, Holey Optochip доказывает, что высокоскоростные каналы межсоединений с низким энергопотреблением могут быть реализованы уже в ближайшем будущем, и что оптическая коммуникационная технология является единственным средством передачи данных, способным опережать стремительно растущий спрос на широкополосный доступ. Будущее вычислительных систем будет во многом зависеть от развития передовой технологии оптических чипов, которая поможет справиться с ростом Больших данных, расширит возможности облачных вычислений и облегчит поддержку нового поколения рабочих нагрузок центра обработки данных.

Технические аспекты опточипа Holey Optochip

Параллельная оптика представляет собой оптоволоконную технологию, ориентированную, главным образом, на широкополосные волоконно-оптические коммуникационные системы ближнего доступа – как правило, с максимальным расстоянием не более 150 метров. Параллельная оптика отличается от традиционного дуплексного (двухстороннего) волоконно-оптического канала последовательной передачи данных тем, что обеспечивает одновременную передачу и прием данных по нескольким оптическим волокнам (световодам).

Однокристальный КМОП-чип трансивера с 24 приемниками и 24 передатчиками, изготовленный по стандартным 90-нанометровым технологическим нормам, становится опточипом IBM Holey Optochip благодаря 48-ми просверленным в кремниевом кристалле отверстиям или «оптическим переходам» – по одному для каждого передающего (излучающего) канала и приемного канала. Небольшая доработка готовых КМОП-пластин со всеми электронными компонентами и стандартной проводной разводкой внутренних соединений приводит к созданию цельной кремниевой подложки, заполненной опточипами Holey Optochip. Размеры чипа трансивера составляют всего 5,2 х 5,8 мм. Стандартный 850-нм двадцатичетырехканальный «лазер поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором» (Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL) – используемый в качестве передатчика-излучателя – и фотодиодные матрицы – используемые в качестве приемника оптических импульсов – размещаются непосредственно на опточипе методом «перевернутого кристалла» (flip-chip). Такая компоновка позволяет получать высокопроизводительные оптические трансиверные модули в «корпусе с размерами кристалла» (Chip Scale Package). Опточипы Holey Optochip конструктивно спроектированы для непосредственного соединения в стандартный 48-канальный многомодовый оптоволоконный массив в составе эффективной микролинзовой оптической системы, которая может быть собрана с помощью обычного крупносерийного компоновочного техпроцесса и инструментария.

Другие новости конференции OFC

На конференции OFC исследователи IBM также представили следующие свои достижения:

    Две оптические линии связи с самыми высокими (из когда-либо зарегистрированных) уровнями энергетической эффективности. Полностью укомплектованная одноканальная линия связи, использующая ресивер (приемник) в новейшем конструктивном исполнении и VCSEL-лазер, показала скорость передачи данных в 15 Гбит/с, затратив при этом лишь 20 милливатт электроэнергии. Это достижение является первой практической демонстрацией оптического межсоединения с показателями эффективности, которые будут требоваться для суперкомпьютеров с производительностью экзауровня (exascale) примерно к 2020 году.
    Полностью укомплектованная одноканальная линия связи  с пропускной способностью 40 Гбит/с на базе VCSEL-лазера, которая не только устанавливает новые стандарты быстродействия, но также работает на таких больших скоростях передачи данных с высокой корректирующей способностью (к исправлению искажений сигнала). Такой прорыв стал возможен благодаря применению схемы предыскажений в трансмиттере (передатчике) сквозной линии связи для улучшения ее эксплуатационных характеристик. Эта компенсационная схема впервые разработана специалистами IBM.