Nowe pomysły na optyczne wyprowadzenia elektronicznych mikrochipów mogą już wkrótce radykalnie zmienić architekturę komputerów.
Mniej więcej od 1995 roku mikroprocesory coraz wyraźniej górują szybkością nad pozostałymi składnikami systemów komputerowych. Najnowsze procesory wykonują instrukcje w takt zegara 3.6 GHz, a niektóre operacje - na przykład działania arytmetyczne - nawet dwa razy szybciej. Ale połączenia, które na płycie głównej zapewniają komunikację procesora z pamięcią i innymi podzespołami, pracują z częstotliwością niższą od 1 GHz. W rezultacie mózg maszyny traci trzy czwarte czasu, oczekując na instrukcje i dane, które gdzieś po drodze utknęły.
"W nadchodzących latach dysproporcja między wydajnością mikroprocesora i dostępem do pamięci stanie się krytyczna" - napisał Anthony F. J. Levi, fizyk z University of Southern California, w opublikowanym przed trzema laty raporcie. Jak podkreślił, tworzywa używane do produkcji płytek drukowanych powodują silne tłumienie sygnałów o wysokich częstotliwościach: zwiększenie pasma o każde 2 GHz oznacza dziesięciokrotny spadek natężenia sygnału. Dlatego wyższa częstotliwość zegara oznacza wzrost zużycia energii, ilości wydzielanego ciepła i silniejsze zakłócenia elektromagnetyczne. Już dziś są to dla projektantów trzy podstawowe problemy. Specjaliści z konsorcjum przemysłowego International Sematech twierdzą, że problem przestanie narastać, jeżeli przepustowość magistrali łączącej procesor z otoczeniem będzie zwiększać się co dwa lata o 2 GHz.
"Nasi inżynierowie wierzą, że wycisną 20 GHz ze ścieżek długości do 50 cm" - oznajmia Michael Morse, fotonik z Intela. Zgodnie z prognozami Sematechu 20 GHz zaspokoi potrzeby mikroukładów w technologii 32 nm, odległej o trzy generacje od technologii 90 nm, która pojawiła się na początku tego roku. Według Marka T. Bohra, dyrektora odpowiedzialnego w Intelu za architekturę procesów, jego firma powinna tę generację mikroukładów wprowadzić na rynek w roku 2010.
A wtedy konieczne okaże się zastąpienie miedzianych połączeń elektrycznych światłowodami, w których nośnikiem danych będą fotony emitowane przez lasery. "Jestem wielkim entuzjastą łączy optycznych już na poziomie urządzeń" - stwierdza Patrick P. Gelsinger, główny technolog Intela, przyznając jednocześnie, że wątpi, czy zastąpią one krótką, ale bardzo wydajną magistralę łączącą procesor z pamięcią. To, czy taka zmiana warty nastąpi, jakich połączeń będzie dotyczyć i ile to będzie kosztować, zależy od sposobu wytwarzania elementów fotonicznych.
Już dziś dane są często zamieniane z postaci elektrycznej na optyczną lub odwrotnie jak w przypadku różnych urządzeń peryferyjnych komputera, na przykład napędów CD i DVD, monitorów, myszy, kamer, wzmacniaczy stereofonicznych oraz sieci światłowodowych. Jednak serce komputera obejmujące procesor, pamięć i płytę główną jest całkowicie elektroniczne.
Przyczyny są zgoła naturalne: chociaż światłowody umożliwiają wielokrotnie szybszą wymianę danych niż drut miedziany, to są też od 10 do 100 razy droższe. W niektórych zastosowaniach, jak na przykład łączenie tysięcy rozmów telefonicznych lub kierowanie miliardami pakietów biegnących w Internecie, wydajność jest ważniejsza niż koszty. Właśnie dlatego koncern Cisco wydał pół miliarda dolarów na zbudowanie w ciągu czterech lat optycznego routera, który zaprezentowano w maju. Trzydzieści linii światłowodowych o wydajności 40 Gb/s może zaspokoić potrzeby 1.6 mln gospodarstw domowych podłączonych do Internetu za pośrednictwem linii DSL. W przypadku odległości ponad 100 m łącza optyczne są bezkonkurencyjne. Ale krótsze połączenia, na przykład w sieciach biurowych lub we wnętrzu komputerów, pozostają bezsprzecznie domeną miedzi.
Dziś rewolucja wydaje się całkiem prawdopodobna, ponieważ naukowcy zdołali opracować wiele elementów fotonicznych, które można produkować w istniejących fabrykach, spełniając dzięki temu warunek konkurencyjności. "Zamierzamy wprowadzić optykę już na poziomie komunikacji między chipami" - wyjaśnia Mario Paniccia, szef grupy zajmującej się w Intelu fotoniką opartą na krzemie.
Jeżeli tak się stanie, to już za 10 lat komputery mogą wyglądać i działać zupełnie inaczej niż teraz. Niektóre zmiany można będzie zaliczyć do kategorii "mniejsze i szybsze". Niewykluczone, że kamery i przenośne odtwarzacze wideo będziemy podłączać, wtykając końcówkę światłowodu do gniazda komputera, które zastąpi port USB. Niewykluczone, że niektóre maszyny zostaną już wyposażone w dyski holograficzne, mieszczące setki gigabajtów danych na przenośnym krążku wielkości płyty CD. Szczęściarzom z bezpośrednim dostępem do światłowodowej sieci telekomunikacyjnej optyczna karta sieciowa zapewni transmisję danych z szybkością większą niż 1 Gb/s, a więc tysiąckrotnie większą niż w przypadku linii DSL i modemów kablowych.
Inne zmiany mogą być jeszcze drastyczniejsze. Graniczna prędkość transmisji łącza przewodowego szybko maleje wraz z jego długością. Dlatego pamięć i karta graficzna muszą znajdować się jak najbliżej procesora, który z nich korzysta. "Ale jeżeli dane zakodujemy w postaci światła, odległość przestaje mieć znaczenie - zauważa Paniccia. - Tania technologia fotoniczna będzie tak samo tania w skali centymetrów i tysięcy kilometrów". Wiele komponentów komputera, które dziś są upchane w obudowie wysokości kilkudziesięciu centymetrów, można będzie rozmieścić w różnych miejscach samochodu, budynku, a nawet w odległych dzielnicach miasta, przesyłając dane w postaci ciągu impulsów światła.
W. Wayt Gibbs (fragment artykułu)
Fot. BRYAN CHRISTIE
poleca:
Studentnews.pl