Рождение нанофотонного коммутатора

Последние несколько месяцев оказались отмечены рядом новостей о значительных успехах в области кремниевой фотоники. Среди них было известие о том, что в корпорации IBM создан миниатюрный нанофотонный коммутатор, а также сообщение, что компания Sun Microsystems получила от DARPA (Агентства перспективных оборонных исследований Министерства обороны США) 44 млн долл. на исследования в области фотонной коммутации. Несколькими месяцами раньше, в конце 2007 года корпорация Intel заявила о создании ее исследователями нанофотонных коммутаторов и о том, что результаты работ из области кремниевой фотоники можно будет увидеть уже в 2010 году. Что же стоит за всеми этими столь интригующими объявлениями?

Сенсационность и качественная новизна перечисленных сообщений состоит в том, что в них речь идет о технологиях для работы внутри кристалла. Действительно, принципы фотонной коммутации как таковые известны, а прикладными исследованиями в этой области занимаются последние лет десять-пятнадцать, и до последнего времени предполагалось создание специальных чипов для материнских плат. Фундаментальные исследования, так или иначе связанные с фотоникой, ведутся не один десяток лет, однако полученные до недавнего времени результаты представляли интерес для ограниченного круга ученых, а посвященные им публикации не выходили за границы академических журналов. Нынешний информационный всплеск легко объясним: все дело в грядущей и неизбежной многоядерности. Как результат, фотонные коммутаторы оказались востребованными на уровне внутрипроцессорных коммуникаций прежде, чем на уровне плат.

О значимости происходящих перемен можно судить хотя бы потому, что в начале прошлого года агентство DARPA приняло отдельную программу по созданию сверхпроизводительных нанофотонных коммутаций внутри микросхемы (Ultraperformance Nanophotonic Intrachip Communications, UNIC — www.arpa.mil/mto/Solicitations/baa07-35/index.html). В рамках этой программы DARPA намеревается финансировать исследования и разработки, направленные на обеспечение эффективных коммуникаций между теми сотнями или даже тысячами процессоров, которые в перспективе могут быть размещены на одном кристалле. Надо заметить, что UNIC является составной частью более известной программы DARPA по развитию «высокопродуктивных» компьютерных систем (High Productivity Computing Systems, HPCS).

Область применения нанофотоники распространяется на то, что называют информационными — а точнее говоря, компьютерными — технологиями, и на сетевые технологии. Как известно, применение оптики началось с сетей. Оптоволокно широко применяют для передачи данных на большие расстояния, измеряемые километрами. Со временем оптика пришла на «метровую дистанцию» — с ее помощью стали соединять серверы с оконечными устройствами. Затем расстояние оптической передачи сократилось до сантиметров при обмене между микросхемами, а теперь  — и до нанометров при коммуникациях внутри чипов. Необходимость в коммутирующей оптике на системной плате вызвана наличием предела скорости передачи по меди: она ограничена величиной порядка 15-20 Гбит/с при частоте 14-15 ГГц. Дальнейшее увеличение полосы пропускания возможно только с переходом на оптику.

Нынешний повышенный интерес к нанофотонной коммутации объясняется просто. Существующие электронные методы межъядерной коммуникации, которые остаются вполне достаточными при числе ядер, не превышающем несколько десятков, принципиально неприменимы при увеличении числа ядер на порядки. Даже в процессорах с числом ядер от шести до восьми коммутационные схемы уже занимают существенную часть площади, и, следовательно, на них приходится заметная доля потребляемой энергии, при увеличении числа ядер пропорция увеличится в пользу соединений. В изменившихся условиях необходимы инфраструктуры, отличающейся более широкой полосой пропускания, меньшей задержкой и меньшим потреблением энергии. Для создания «сети на микросхеме» (Network-on-Chip, NoC), состоящей из сотен узлов, с неизбежностью придется отказаться от электронной коммутации в пользу нанооптических методов коммутации. Ведущие специалисты IBM, Sun Microsystems, Intel и NEC считают, что на уровне чипов фотонная оптика сыграет примерно такую же роль, как обычная оптоволоконная связь на уровне Internet. Она позволит работать с принципиально иными объемами данных, нежели прежде. Вот их мнение.

Уилл Грин, исследователь корпорации IBM: «Нанофотонными методами удастся создать технологии, способные передавать данные на расстояния порядка нескольких сантиметров со скоростью в сто раз выше, чем по проводникам, потребляя при этом, как минимум, на порядок меньше энергии. Кремниевая нанооптика произведет примерно такой же эффект на микроуровне, какой обычная оптика — на макроуровне, где дистанция измеряется метрами и километрами. Каждое ядро будет снабжено своим оптическим модулятором, который будет существенно меньше его по своим размерам, и этот модулятор будет передавать данные по кремниевым световодам другим ядрам. Таким образом мы сможем обеспечить взаимодействие между тысячами ядер в одном чипе, и мощность современных суперкомпьютеров станет доступной обычному пользователю лет через десять-двенадцать».

Грег Пападопулос, директор по технологиям компании Sun Microsystems: «Реализуемый в нашей компании проект предполагает сочетание методов электростатического взаимодействия между чипами Proximity Communication с оптическими методами внутри чипов. Совместно они дают возможность собрать виртуальный макрочип, что по-своему поддерживает закон Мура. Такой макрочип может быть, например, суперкомпьютером, полученным посредством объединения в массив множества дешевых процессоров. При очевидной дешевизне такой массив к тому же отличается высокой пропускной способностью межсоединений, высокой скоростью обмена и низким потреблением энергии. Сочетание этих качеств открывает возможность использования высокопроизводительных вычислений самому широкому кругу потребителей. Оптические коммуникации на микроуровне можно назвать технологиями, изменяющими правила игры и экономику супервычислений».

Заслуженный инженер-исследователь корпорации Intel Кевин Кан: «Необходимо привести скорость передачи данных между компонентами вычислительной платформы в соответствие с быстродействием процессоров. Мы видим кремниевую фотонику в качестве решения этой проблемы, и потому проводим в жизнь исследовательскую программу, которая позволяет нам занимать передовые позиции в этой области. Создание коммерческой версии подобного решения несет огромные преимущества для пользователей. Оптические системы связи позволят устранить узкое место, связанное с разницей в пропускной способности памяти и скоростью процессора, и повысить общую производительность вычислительной платформы».

Из статьи группы авторов, работающих в корпорации NEC: «Современное состояние кремниевой нанооптики дает основание считать, что в скором времени появятся промышленные образцы больших интегральных схем, построенных на фотонных принципах. По сравнению с электронными они будут отличаться меньшими размерами и энергопотреблением».

Для создания сетевой инфраструктуры внутри кристалла подходит вполне традиционная схема передачи данных, аналогичная множеству других. Она состоит из передатчика с модулятором, среды распространения сигнала, включающей средства управления (в данном случае коммутатора), и приемника с демодулятором. По счастью, кремний прозрачен, поэтому для материализации инфраструктуры, сочетающей полупроводниковые процессоры с фотонной коммутацией, необходимо создать три основных компонента:

• лазер, являющийся источником фотонов;
• модулятор и демодулятор для наложения данных, передаваемых в электронной форме из процессоров, на поток фотонов, а также обратного преобразования в данных в электронную форму, доступную для обработки процессором;
• волноводы, играющие роль «линий передачи» для доставки фотонов к местам назначения, и мультиплексоры или коммутаторы для объединения или разделения световых сигналов.

Прикладные исследования и разработки, связанные с созданием перечисленных компонентов, ведутся в университетских и корпоративных лабораториях США, Японии, Франции и некоторых других стран. В силу понятных обстоятельств, связанных с близкой коммерциализацией разработок, на распространение детальных сведений о них наложен негласный мораторий. Впрочем, при этом с 2006 года издается специализированный журнал Nature Photonics, являющийся приложением к известному журналу Nature (www.nature.com/nphoton/journal ), где на самом популярном уровне обсуждаются проблемы нанофотоники. В 2007 году вышло всего четыре выпуска журнала, а в текущем году он выходит уже ежемесячно.

В мартовском номере Nature Photonics опубликована статья Хьюго Тиенпорта из Intel «Каскадный кремниевый лазер на основе эффекта Рамана» (Laser source, Silicon cascade). В статье описан кремниевый лазер, построенный на основе эффекта Рамана, известного с 1930-х годов, благодаря которому лазер можно использовать в качестве усилителя излучения. В 2005 году инженеры корпорации впервые продемонстрировали, что кремний может служить для усиления потока фотонов при использовании внешних источников света, и это позволило создать однокристалльный лазер с постоянной длиной волны на основе эффекта Рамана. Основное достижение исследователей из Intel состоит в том, что им удалось объединить светоизлучающие способности лазера на основе фосфида индия со способностью кремния проводить свет, и из этих составляющих удалось собрать единый гибридный кристалл. Если приложить к нему напряжение, то элементы из фосфида индия начинают генерировать поток фотонов, который далее можно передавать по кремниевому волноводу. Для изготовления подобного гибридного лазера достаточными оказались стандартные для производства кремниевых микросхем техпроцессы.

Суть эффекта Рамана состоит в том, что при поглощении фотонов атомами, из которых образован кристалл, генерируется вторичное излучение, которое состоит из фотонов с большей длиной волны. Иными словами, подпитывая лазер потоком фотонов с одной длиной волны, луч лазера можно усиливать практически на любой другой длине волны, что особенно важно при повышении спектральной плотности линий связи. Еще одно достоинство такого лазера — невысокий по сравнению с традиционными лазерами уровень тепловых потерь. Рамановские лазеры и оптические усилители уже довольно давно применяются в оптических коммуникациях, однако там для достижения необходимого коэффициента усиления требуются километры оптоволокна. В кремнии же данный эффект проявляется примерно в 10 000 раз сильнее. Можно пойти и дальше, для этого следует увеличить число каскадов усиления. В каскадном лазере на основе эффекта Рамана их два, теоретически их число можно довести до шести. Итак, первый этап пройден, и после того, как создан фотонный пучок, на него следует наложить сигнал — то есть модулировать.

По существу принцип фотонной модуляции традиционен, не сильно отличается от амплитудной или частотной модуляции в радиовещании. Возможны три режима модуляции — с возвратом к нулю (return-to-zero, RZ), подавляемый носителем возврат к нулю (carrier-suppressed return-to-zero, CS-RZ) и дифференциальный фазовый сдвиг (differential phase-shift keying, RZ-DPSK).Один из возможных подходов к созданию модуляторов был описан в 2005 году исследователями из корпорации Intel в статье «Высокоскоростной кремниевый модулятор Маха-Зендера», опубликованной в журнале Optics Express (www.opticsexpress.org ). Аналогичные работы, связанные с созданием модуляторов, ведутся в IBM; описанные в 2007 в том же журнале модуляторы имеют размеры на два-три порядка меньше.

Такой модулятор выполняет функции преобразования электрических сигналов в оптические. Для этого луч пропускается через специальный затвор, управляемый с помощью электрических сигналов, он может быть открыт или закрыт, соответственно свет проходит или нет. Наличие или отсутствие света можно интерпретировать как 0 и 1. Обратная процедура преобразования световых импульсов в электрические сигналы не представляет каких либо сложностей.

Пожалуй, самая сложная часть — коммутация. Одно из возможных решений это проблемы описано в публикации группы авторов из корпорации IBM в апрельском номере журнала Nature Photonics (Yurii Vlasov, William Green, Fengnian Xia, High-throughput silicon nanophotonic wavelength-insensitive switch for on-chip optical networks). Она и стала источником одного из сенсационных сообщений, упомянутых в начале данной статьи. (Стоит отметить, что руководитель группы, Юрий Власов, является выходцем из России, в прошлом он был научным сотрудником Санкт-Петербургского Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе.)

Власов утверждает: «Новая разработка станет существенным вкладом в дело создания оптических сетей на кристалле. То, что мы видим, дает основание считать такого рода сети реальностью недалекого будущего».

Оптический коммутатор позволяет перенаправлять пучки фотонов. В решении, предложенном IBM, на одном квадратном миллиметре удается разместить 2000 коммутирующих элементов.

Если описывать образно, то принцип действия фотонного коммутатора напоминает железнодорожную сортировочную горку: в зависимости от положения стрелки подходящий вагон может быть направлен на один из двух путей, при этом если стрелки образуют двухуровневую систему, то на выходе может быть четыре пути.