Korzystanie z przepływności sieci optycznych sięgających gigabitów i terabitów na sekundę wymusza wprowadzanie udoskonalonych i bardziej sprawnych systemów teleinformatycznych. Wąskim gardłem stają się dzisiaj nie tyle trakty przesyłowe (tutaj operuje gigabitowa optyka), ale szkieletowe i brzegowe węzły przełączające w infrastrukturze sieciowej. Problemem stają się także same komputery i zespoły mikroprocesorowe, zmuszane do odbioru szybko napływających danych optycznych w miedzianym środowisku magistralowym wokół procesora.

Komputery i umieszczone w nich zespoły mikroprocesorowe są zmuszane do odbioru szybko napływających danych z sieci optycznych poprzez miedziane otoczenie magistralowe wokół procesora. Te magistrale miedziane, będące głównym hamulcem szybkiego odbioru, można już zastępować włóknami światłowodowymi.

Stosowane od prawie 20 lat włókna światłowodowe stopniowo lecz systematycznie wypierają tradycyjne połączenia miedziane potrzebne do komunikacji w sieci, podążając jednocześnie coraz bliżej w kierunku terminali oraz centrów przetwarzania danych. W pierwszej kolejności wyeliminowały one całkowicie miedź w łączach długodystansowych, a obecnie zastąpiły miedziane sieci metropolitalne i kampusowe. Mimo, że stosowanie miedzi w komunikacji na niewielkich odległościach (do 100 m, do 10 Gb/s) daje obecnie już zadowalające wyniki, koszty wdrażania szybkich technologii miedzianych ciągle rosną i stają się porównywalne z coraz tańszymi instalacjami optycznymi.

Z szybkością światła

Na horyzoncie czasu pojawia się długo oczekiwany etap całkowicie optycznej inżynierii komputerowej, kiedy to fotonika nie tylko modeluje infrastrukturę wokół produktów komputerowych, ale zaczyna bezpośrednio wnikać w struktury półprzewodnikowych mikroukładów stosowanych w tych urządzeniach. Jeśli tendencja wzrostu mocy obliczeniowej mikroprocesorów utrzyma się zgodnie z prawem Moore'a, a także z zachowaniem niezmienności kosztów, to optyka będzie nadal wnikać wgłąb tych systemów i to coraz bardziej intensywnie. Rozszerzanie funkcji mikroukładów scalonych przy jednoczesnym wzroście ich mocy, a także realizacja postulatu "zielonych komputerów" wraz z koniecznością zmniejszania zużycia energii wewnątrz urządzeń komunikacyjnych, stają się dzisiaj możliwe poprzez implementowanie technologii optycznych. Historyczna epoka miedziana zaczyna stopniowo ustępować technologiom optycznym na wielu frontach.

Od połowy lat dziewięćdziesiątych ubiegłego stulecia mikroprocesory zaczęły przewyższać swą szybkością miedzianą infrastrukturę magistralową wokół komputerów i przestały stanowić "wąskie gardło" w komunikacji cyfrowej z otoczeniem - zarówno z klasyczną siecią (LAN, MAN), jak i innymi modułami wewnątrz systemu komputerowego. Postęp w tej dziedzinie poszedł jednak dalej i technologia produkcji współczesnych chipów mikroprocesorowych pozwala już na taktowanie ich zegarem o częstotliwości 3,6 GHz (lub więcej). W praktyce oznacza to, że mogą one wykonywać pojedyncze instrukcje w czasie poniżej 0,3 ns (nanosekundy), a niekiedy nawet w znacznie krótszym.

Niestety, z powodu szkodliwych przesłuchów na magistrali komputerowej, miedziane połączenia drukowane na płytach głównych zapewniają poprawną komunikację procesora z pamięcią i innymi podzespołami przy częstotliwości niewiele przekraczającej 1 GHz (czyli 1 ns). Dzisiaj to już jest stanowczo za wolno. W rezultacie może się okazać, że dobry czyli szybki mikroprocesor marnuje ponad dwie trzecie swego czasu obliczeniowego w oczekiwaniu na nowe instrukcje i dane, które bądź jeszcze do niego nie dotarły, bądź utknęły gdzieś po drodze na rozlicznych magistralach procesora. Problem szybkiego transportu w magistralach komputera narasta w miarę gwałtownego przyspieszania szybkości w traktach optycznych - dzisiaj sięgającej od 10 Gb/s do 100 Gb/s (a więc patrząc od strony komputera do około 10 GB/s).

Systematycznie narastająca dysproporcja między wydajnością mikroprocesora, a dostępem do jego pamięci, modułów WE/WY czy optycznych łączy komunikacyjnych przez miedzianą magistralę staje się krytyczna i coraz częściej jest potrzebny rzeczywiście szybki transport między mikroukładami wewnątrz wieloprocesorowego systemu komputerowego. Niestety tworzywa stosowane do produkcji płytek drukowanych powodują silne tłumienie sygnałów o wysokich częstotliwościach, co istotnie skraca dystans i powoduje, że rozszerzenie pasma magistrali o każde kolejne 2 GHz oznacza dziesięciokrotny spadek natężenia sygnału wzdłuż toru. W konsekwencji następuje nie tylko wzrost zużycia energii oraz ilości wydzielanego ciepła, ale powstają również kłopotliwe w użytkowaniu silne zakłócenia elektromagnetyczne.

Falowodem do mikroukładu

Według analityków z konsorcjum przemysłowego International Sematech problem przestanie narastać, jeżeli przepustowość pasma magistrali łączącej procesor z otoczeniem będzie się systematycznie zwiększać co dwa lata o 2 GHz. Wprawdzie inżynierowie fotonicy z Intela sugerują uzyskanie w 2010 r. transferów nawet o częstości 20 GHz (na ścieżkach drukowanych o długości do 50 cm), ale stanowi to absolutnie graniczną wartość technologii miedzianej bez używania skrętek. Takie rozwiązanie może chwilowo zaspokoić potrzeby mikroukładów wykonanych w technologii rastrowej 32 nm, odległej o trzy generacje od użytkowanej dzisiaj technologii w rastrze 90 nm, ale nie jest i nie będzie rozwiązaniem docelowym.

W tradycyjnym transporcie optycznym z konwersją O/E (optyczno-elektryczna konwersja) używa się sygnałów elektrycznych do uaktywniania, komutowania i kodowania sygnałów optycznych za pośrednictwem specjalistycznych modułów, które łączą i synchronizują obie technologie transportu. Znaczną część energii elektrycznej traci się więc bezpowrotnie w tych urządzeniach, a ponadto sygnał elektryczny ulega osłabieniu i opóźnieniu z powodu wielokrotnej konwersji O/E. Szacuje się, że ok.30% energii elektrycznej konsumują właśnie układy nadawczo-odbiorcze w modułach konwersji O/E.

Można więc sądzić, że wreszcie nadchodzi czas, kiedy stają się potrzebne całkowicie optyczne kanały komunikacyjne i to nie tylko w traktach rozległych oraz optycznych przełącznikach sieci szkieletowej, ale również wewnątrz samych komputerów - dławiących się nadmiarem transportowanej informacji poprzez miedziane struktury otoczenia. "Jestem zdecydowanym entuzjastą łączy optycznych już na poziomie urządzeń i mikroukładów - stwierdził główny technolog Intela Patrick P. Gelsinger, wątpiąc jednocześnie czy rzeczywiście szybko i powszechnie zastąpią one krótką, ale wydajną magistralę miedzianą łączącą procesor z pamięcią. To, czy taka zmiana warty nastąpi, jakich połączeń będzie dotyczyć oraz ile to będzie kosztować, zależy jedynie od sposobu wytwarzania tanich elementów fotonicznych".

Prawie optyczne chipy

Obecnie staje się technicznie możliwe i ekonomicznie już opłacalne doprowadzenie światła włóknem wprost do zmodyfikowanego mikroukładu procesora znajdującego się na płycie głównej procesora - a więc bez korzystania ze ścieżek drukowanych na płycie i pośredniczących układów komunikacyjnych O/E, instalowanych w specjalistycznych modułach na obrzeżu systemu komputerowego. W nowej infrastrukturze, zmodyfikowane mikroukłady wraz z niezbędną dla nich fotoniką transportową zastępują dotychczas stosowane obudowy BGA (Ball Grid Array) z mikroprocesorami, niekiedy nawet bez naruszania naniesionych na płycie (pakiecie) ścieżek drukowanych. Wszystkie niezbędne układy do komunikacji optycznej (porty, konwersja, lasery VCSEL, układy przełączania oraz kompletna fotonika odbioru) są zlokalizowane przestrzennie na płaskiej powierzchni układu mikroprocesora, natomiast zainstalowana na nim skośnie (kąt około 45 stopni) wstążka wielu włókien optycznych wyprowadza szyny komunikacyjne z czołowej powierzchni mikroukładu.

Odpowiedni montaż tych włókien pozwala na wykonanie całkowicie optycznych połączeń między poszczególnymi portami pozostałych mikroukładów VLSI, jak też wyprowadza strumień świetlny do komunikacji ze światem zewnętrznym poprzez tradycyjne złącza optyczne z szybkością strumienia sięgającą 100-1000 Gb/s.

Moduły optoprocesorowe, optochipy oraz zestawy komponentów o podobnych własnościach i działające z szybkością transmisyjną do 960 Gb/s (przepływność prawie 1 Tb/s), zaczęła seryjnie dostarczać na rynek amerykańska firma Reflex Photonics (www.reflexphotonics.com) - z przeznaczeniem ich do montażu w szybkich komputerach i serwerach. Do ich produkcji wykorzystano unikatową technologię optyczną Light On Board. Również Intel nie spoczął na laurach w tej dziedzinie i wkrótce zamierza pochwalić się sukcesami optycznymi. Z wypowiedzi Marka T. Bohra, dyrektora odpowiedzialnego za architekturę awangardowych mikroprocesorów w Intelu wynika, że modele i prototypy optochipów nowej generacji są gotowe i przetestowane, a firma zamierza wprowadzić je do seryjnej produkcji w 2010 r. Ich śladem kroczą także inne zespoły projektowe układów szybkich technologii transportowych.

Przekraczanie bariery 2D

Dzięki takiemu podejściu, płaski i dwuwymiarowy montaż pakietowy zostaje zastąpiony bardziej efektywnym rozmieszczeniem przestrzennym (3D), a dotychczasowy transport przez miedziane magistrale drukowane - optycznym przekazem przez światłowody, lecz bez dotychczasowych ograniczeń szybkości. W nowej strukturze nośnikiem tych informacji nie są bowiem elektrony, ale fotony emitowane przez tanie i miniaturowe lasery VCSEL umieszczone wewnątrz chipów. Wprowadzenie takich optochipów pozwala ponadto na zwiększenie gęstości upakowania elementów i funkcji przy jednoczesnym obniżeniu mocy cieplnej traconej w komputerze. Nowatorski pomysł na szybkie ładowanie optyczne bądź emisję informacji bezpośrednio z elektronicznych mikrochipów winno wiec radykalnie zmienić architekturę komputerów i superkomputerów działających z wysokosprawnymi sieciami optycznymi.

W transmisjach na odległość powyżej 100 m łącza optyczne są bezkonkurencyjne, ale krótsze połączenia, na przykład w sieciach biurowych bądź we wnętrzu komputerów, często jeszcze pozostają domeną miedzi. Przyczyny są naturalne i powszechnie znane, jako że chodzi o koszt realizacji całego przedsięwzięcia, a dokładniej seryjną produkcję nowych chipów optycznych. To było powodem, że nie tak dawno koncern Cisco wydał pół miliarda USD na zbudowanie w ciągu czterech lat optycznego routera na trzydzieści linii światłowodowych, z których każda miała szybkość 40 Gb/s. Może on teraz zaspokoić potrzeby około 1,6 mln gospodarstw domowych, włączonych do internetu za pośrednictwem linii DSL (VDSL2). Czy będzie to można teraz realizować taniej?

Wcale nie ma pewności czy bezpośrednie połączenia optyczne między układami mikrokomputerowymi oraz innymi modułami superkomputerów zastąpią wszystkie magistrale miedziane i przyjmą się powszechnie. Można sądzić, ze w niektórych dziedzinach nowe rozwiązania będą stosowane nie bacząc na koszty. Powszechnie wiadomo, że mimo iż światłowody zapewniają wielokrotnie szybszą wymianę danych niż transport przez przewód miedziany (nadruk ścieżki na pakiecie), to moduły konwersji optoelektrycznej łącznie z całą otoczką niezbędną do funkcjonowania nadal są kilkakrotnie droższe od podobnych w miedzi. Według niektórych danych nawet kilkanaście razy. W wielu powszechnie spotykanych aplikacjach, takich jak: komutowanie tysięcy rozmów telefonicznych czy kierowanie miliardami pakietów przesyłanych przez internet - wydajność jest jednak ważniejsza niż ponoszone koszty.

Magistrale światłowodowe

Czas pokaże, kiedy miedziane magistrale komputerów ustąpią miejsca przekazom optycznym na włóknie wielomodowym. Optyczna rewolucja wydaje się dzisiaj bardziej prawdopodobna niż kiedykolwiek wcześniej, gdyż specjaliści od fotoniki zdołali opracować wiele miniaturowych elementów optycznych, które można produkować w istniejących fabrykach - spełniając dzięki temu warunek skutecznej konkurencyjności. Dzisiaj zminiaturyzowane zespoły magistrali optycznej mieszczą się na powierzchni niewiele ponad 1 cm2 i można je implementować bądź do wnętrza układu, bądź instalować powierzchniowo (jako nakładka) na wielonóżkowej obudowie BGA każdego systemu mikroprocesorowego.

Miedziane credo Intela uległo jednak stonowaniu: "Zamierzamy wprowadzić optykę już na poziomie komunikacji między chipami" - skomentował te doniesienia Mario Paniccia, szef grupy zajmującej się w Intelu optyką opartą na krzemie. "Jeżeli tak się stanie, to za 10 lat komputery mogą wyglądać i działać zupełnie inaczej niż teraz. Niewykluczone, że kamery i przenośne odtwarzacze wideo czy dyski holograficzne mieszczące setki gigabajtów danych na przenośnym krążku wielkości płyty CD będzie można podłączać, wtykając jedynie końcówkę światłowodu do gniazda komputera, które zastąpi port USB".

Zmiany w tej dziedzinie mogą spowodować rzeczywiście drastyczne skutki. Graniczna prędkość transmisji magistrali miedzianej szybko maleje wraz z jej długością, co jest powodem, że np. pamięć czy karta graficzna muszą znajdować się jak najbliżej procesora, który z nich korzysta. Po zakodowaniu transmitowanych danych w strumieniu świetlnym, odległość przestaje mieć znaczenie i tania technologia fotoniczna będzie tak samo tania w skali centymetrów, jak i tysięcy kilometrów. Poszczególne komponenty i moduły komputera można będzie rozmieścić w różnych miejscach samochodu, budynku, a nawet w odległych dzielnicach miasta, przesyłając między nimi dane w postaci ciągu impulsów świetlnych. Oczywiście pod warunkiem, że sprawnie funkcjonują zewnętrzne i wysokowydajne, optyczne łącza telekomunikacyjne o szybkości nie mniejszej niż 1 Gb/s. Tysiące razy szybsze niż w miedzianych rozwiązaniach DSL czy modemach kablowych CATV.

Źródło: