Vývojáři předvedli první mikročip, který ultrarychle komunikuje světlem  
Revoluční procesor s fotonickými vstupy a výstupy předznamenává nové trendy IT technologií.

 

Nové mikročipy nejspíš budou komunikovat světlem. Kredit: Glenn J. Asakawa / University of Colorado.
Nové mikročipy nejspíš budou komunikovat světlem. Kredit: Glenn J. Asakawa / University of Colorado.

Vánoční číslo časopisu Nature přineslo hezký dárek všem milovníkům technologií budoucnosti, zejména pokud jde o procesory komunikující prostřednictvím fotonů. Jde o nový, technologicky převratný mikročip, který účinně spojuje technologie založené na elektronech a fotonech. Díky revolučnímu mikročipu se doširoka otevírají dveře k ultrarychlému a energeticky výjimečně úspornému zpracovávání dat.

Vladimir Stojanović. Kredit: MIT.
Vladimir Stojanović. Kredit: MIT.


Vývoj převratného mikročipu vedl Vladimir Stojanović z Kalifornské univerzity v Berkeley. Jeho početný tým vytvořil čip o rozměrech 3 krát 6 milimetrů, který se skládá ze 2 výpočetních jader, více než 70 milionů tranzistorů a 850 fotonických komponent. Jeho konstrukce využívá open source architekturu RISC-V. Podle Stojanoviće je to vůbec první procesor, který se svým okolím komunikuje světlem. Podle Stojanovićova kolegy Krste Asanoviće je to také poprvé, kdy je podobně konstruovaný procesor komplexní a umí dělat něco rozumného, například spustit program.

V porovnání s elektrickými drátky jsou optická vlákna v mnoha ohledech lepší. Přenesou více dat, vyšší rychlostí, na větší vzdálenost, a s vynaložením méně energie. Pokroky v technologii optické komunikace poslední dobou sice dramaticky vylepšily přenos dat mezi počítači, přímo uvnitř čipů se ale fotonika prosazuje obtížněji. Až doposud totiž nikdo nedokázal integrovat fotonická zařízení do stávající složité výroby mikročipů. To je důležité k udržení nákladů na výrobu procesů a také k zajištění jejich rozumné spolehlivosti. Stojanović a spol. to ale podle všeho zvládli.

Nový mikročip s fotonikou pod mikroskopem. Kredit: Chen Sun & Sangyoon Han / UC Berkeley Marvell Nanofabrication Laboratory.
Nový mikročip s fotonikou pod mikroskopem. Kredit: Chen Sun & Sangyoon Han / UC Berkeley Marvell Nanofabrication Laboratory.


Badatelé si ověřili funkčnost nového mikročipu spouštěním různých počítačových programů, které vyžadují komunikaci procesoru s pamětí. V experimentech se ukázalo, že jejich fotoelektronický čip v některých parametrech komunikace doopravdy předčí nejlepší dostupné procesory. Podle vývojářů je zásadní výhoda optické komunikace v tom, že ke komunikaci na pár centimetrů, pár metrů nebo pár kilometrů stačí stejné množství energie. U vysokorychlostních linek s elektrickým signálem množství potřebné energie se vzdáleností citelně vzrůstá.

První mikročip s integrovanou fotonikou. Kredit: Glenn J. Asakawa / University of Colorado.
První mikročip s integrovanou fotonikou. Kredit: Glenn J. Asakawa / University of Colorado.

Současné IT technologie jsou vyloženě hladové po podobných převratných vynálezech. Podle americké neziskovky orientované na ochranu životního prostředí Natural Resources Defense Council v roce 2013 spotřebovala americká datacentra 91 miliard kilowatthodin elektrické energie, což odpovídá asi 2 procentům celkové spotřeby elektřiny USA v dotyčném roce. A divoký růst nároků IT technologií na energii nejeví žádnou známku únavy.

Situace je tak naléhavá, že souběžně s vývojem fotoelektronických čipů vznikají startupy, které se zaměřují na aplikace vyvíjených techhnologií. Startup SiFive připravuje k prodeji procesory s architekturou RISC-V, Ayar Labs se zase soustředí na fotonickou komunikaci a za své snaží letos obdrželi cenu od MIT Clean Energy Prize. Kromě snížení energetické náročnosti IT technologií prý můžeme čekat LIDARy pro autonomní automobily a roboty, aplikace v medicíně jako například zařízení pro ultrazvukové skenování mozků a nové senzory pro monitoring životního prostředí. 


Literatura
UC Berkeley 23. 12. 2015, Nature 528: 534–538.

 

Autor: Stanislav Mihulka
Datum: 24.12.2015
Tisk článku

Virtuální počítač - Šika Michal
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 99 Kč
cena: 84 Kč
Virtuální počítač
Šika Michal
Související články:

Parádně rychlý organický tenkovrstvý tranzistor     Autor: Stanislav Mihulka (15.01.2014)
Elektronický obvod Darpy zvládl 1 bilion cyklů za sekundu     Autor: Stanislav Mihulka (03.11.2014)
Michiganské mikrosmítko, nejmenší počítač na světě     Autor: Stanislav Mihulka (12.04.2015)
Umělá evoluce vytvořila fungující elektroniku z nanočástic zlata     Autor: Stanislav Mihulka (22.09.2015)



Diskuze:

Mikrozrkadlá naklápané poľom

Mikulas Alexík,2015-12-26 15:33:52

Existujú optické prepínače, ktoré pracujú s mikrozdkadlami,zavesenými na torzných uchyteniach a naklápaných elektrostatickým poľom. Množina zrkadielok, napr. 32 alebo 48 pri zmene sklonu (synchronne) presmeruje svetlo do patričného "vstupu". Používajú sa takéto optické prepínače vo veľkých serveroch. Na obrázku "detail pod mikroskopom" to vyzerá ako séria výstupov z optických káblikov na zrkadielka a ovládanie ich sklonu. Svetlo zo zrkadielka sa prenesie na ďalšiu sértu zdkadielok a z nich do vstupov optických káblov. Dve série zdkadielok dokážu prijímať a presmerovať signály medzi mnohými vstupo-výstupmi.

Odpovědět


Re: Mikrozrkadlá naklápané poľom

Pavel Hudecek,2015-12-26 16:42:20

Zrcátkové MEMS přepínače se hodí jen pro velké datové přenosy a malou četnost přepínání. Rychlost přepnutí je v řádu ms, v procesoru naprosto nepoužitelné. Tam už jsou pomalé i ns.

Odpovědět

JAKÁ JE TA TAJNÁ ultrarychlá frekvence?

Josef Hrncirik,2015-12-26 10:18:00

Není větší než rychlost světla ve vakuu?

Odpovědět


Re: JAKÁ JE TA TAJNÁ ultrarychlá frekvence?

Jan Novák9,2015-12-28 13:06:24

Ne, frekvence nemá nic společného s rychlostí. Učivo prvního roku střední školy.

Odpovědět


Re: Re: JAKÁ JE TA TAJNÁ ultrarychlá frekvence?

Víťa Säckl,2015-12-30 11:38:27

U procesorů to není až tak úplně pravda. Frekvence jsou už tak vysoké, že limitem spousta věcí je, kam stačí signál dorazit při daném taktu...3GHz cca 10cm - a to ve vakuu.

Odpovědět


v drátech i ve vacuu, natož ve skle

Josef Hrncirik,2016-01-13 06:32:42

Odpovědět

Prakticky vyznam.

Richard Palkovac,2015-12-26 09:12:40

Nevidim prakticky vyznam daneho riesenia. Uspora energie sa prejavuje az na vacsie vzdialenosti, to s mikrocipom nema nic spolocne. Metalicke vedenie v ramci mikrocipu je urcite jednoduchsie vyrobit ako opticke. Vyskusat ale treba vsetko, niekedy aj motyka vystreli.

Odpovědět


Re: Prakticky vyznam.

Richard Palkovac,2015-12-26 11:18:10

Este taka zaujimavost. V dobach 386 procesorov, spolocnost AMD pouzivala MOSFET tranzistory vo svojich procesoroch (tranzistory riadene el.polom) a tie procesory sa vobec nezohrievali. Naproti tomu rovnake (386) procesory on Intelu boli poriadne horuce.

Avsak ked bolo treba zvysit pocet tranzistorov (zvacsit hustotu) v procesoroch (486 a dalsie) tak uz MOSFET nevyhovoval, el. pole malo prilis velky dosah, nedalo sa tak lokalizovat ako klasika a dnesne procesory su stale "vyhrevne telesa".

Odpovědět


Re: Re: Prakticky vyznam.

Pavel Hudecek,2015-12-26 14:25:08

To je nějaké divné. Všechny dnešní procesory, paměti a další čistě digitální technika jsou CMOS, tedy základní prvek je dvojice MOSFETů, resp. od dob Pentia BiCMOS, kdy tam kde výstup živí více vstupů je posílen ještě dvěma bipoláry.

Příkon procesorů se může značně lišit, ale v podstatě nic neříká o použité technologii. Jen to, že když procesor žere málo, je buď prostě malý (málo komponent), nebo použitá technologie není využita naplno (snížena frekvence a napětí). V obou případech to znamená, že výrobce oželil výpočetní výkon, protože chtěl snížit spotřebu. Pokud udělá stejnou technologií výkonný procesor, tak žere víc.

Výsledkem je, že už mnoho let máme nejvýkonnější procesory s příkonem něco přes 100 W, protože to je takový u tohoto typu čipů rozumně uchladitelný výkon a pak máme low power verze, které jsou pomalejší a žerou řádově méně, protože to je dobře patrná úspora za cenu ne moc velkého snížení použitelnosti.

Odpovědět


Re: Re: Re: Prakticky vyznam.

Richard Palkovac,2015-12-26 14:31:41

Urcite mate pravdu, ja som len povedal svoju osobnu skusenost. Ked som na AMD 386-kovy procesor za chodu prilozol prst, bol studeny, ak som to iste urobil s INTEL 386-kovym, tak ma popalil. Od dob 486 hore som sa uz s chladnym procesorom (ani od AMD) nestretol a uz musia mat aj chladice.

Odpovědět


Re: Re: Re: Prakticky vyznam.

Richard Palkovac,2015-12-26 15:08:54

Snazil som sa najst na internete nieco o "chladnosti" AMD 386-tiek (ci sa mi to len nesnivalo) , ale zial nic konkretne som nenasiel (intenet vtedy este velmi asi ani nefungoval), nasiel som len toto :

"The AMD Am386SX and Am386DX were almost exact clones of the 80386SX and 80386DX. Legal disputes caused production delays for several years, but AMD's 40 MHz part eventually became very popular with computer enthusiasts as a low cost and low power alternative to the 25 MHz 486SX. The power draw was further reduced in the "notebook models" (Am386 DXL/SXL/DXLV/SXLV) which could operate with 3.3V and were implemented in fully static CMOS circuitry."

Pamatam sa ale, ze moj prvy doma zostaveny pocitac bol s AMD386DX40 procesorom a kolega mi hovoril, ze ten procesor je za chodu studeny, tak som mu neveril a skusil som to prstom a na moje prekvapenie bol naozaj studeny. Intelacke s obdobnym vykonom boli horuce.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Prakticky vyznam.

Jakub Chalupnik,2016-01-12 08:10:29

Ono to spis bude tim, ze AMD melo lepe vyreseny power management. Mel jsem experimentalni AMD K6 (predprodukcni vzorek s vyssim napetim), a pokud se na pocitaci nic nedelalo, procesor mel pokojovou teplotu i bez chladice, ale stacilo treba jen pohnout mysi, a prstem jste to poznal.

Odpovědět


Re: Prakticky vyznam.

Pavel Hudecek,2015-12-26 14:06:14

Taky bych to s praktickým přínosem neviděl zas tak moc zajímavě a úplně nejmíň se spotřebou energie. Např. komunikace mezi CPU a RAM žere 0,1-2 % jejich příkonu a tak nějak je to u všech rychlých počítačových komponent. No a že jim to žere stejně na cm i km? No to jen znamená, že na kratší vzdálenost příkon nemůžou snížit.

Momentálně se tedy nabízí jen jeden přínos: Usnadnění návrhu desky: Třeba taková DDR3 má cca 70 časově kritických vývodů rozlezlých po celých cca 10 cm délky modulu, přičemž délka spojů ke druhému konci se smí lišit jen v řádu 1 mm, musejí mít správnou a homogenní impedanci, ... no prostě navrhnout s tím dobře fungující desku je docela pracné. A s tímhle by mělo stačit po desce přivést napájení a CPU s RAM propojit pár optickými kablíky.

Na druhou stranu, v článku se píše o 850 fotonických komponentech, takže to bude spíš komunikace po čipu. To by asi do budoucna mohlo být zajímavé, protože spoje na čipu nemají moc dobré parametry (prostě jsou moc titěrné) a tak začalo být další zvyšování frekvence problematické. Tzn. pokud se podařilo, že se po čipu komunikuje opticky, může to být cesta k dramatickému zvýšení frekvence.

Odpovědět


Re: Re: Prakticky vyznam.

Richard Palkovac,2015-12-26 14:24:52

No ale kedze chip bude v podstate stale fungovat "pomocou elektronov" tak budu musiet vsade na koncoch optickych vodicov v chipe byt prevodniky, co je urcite nevyhoda.

Zase na druhej strane, ak je pravda, ze s klasickymi vodicmi uz konstrukcia chipov dosiahla svoje hranice, tak nieco treba vymysliet.

Odpovědět


dramatické zvýšení frekvence pro nutnou modulaci a demodulaci světla

Josef Hrncirik,2016-01-13 06:35:35

Odpovědět

IT technologie

David Nečas,2015-12-25 22:31:37

IT technologie = informační technologie technologie

Ať žije plenoasmus!

Odpovědět


Re: IT technologie

Richard Palkovac,2015-12-26 09:16:11

"IT technologie" je menej pismeniek ako "informační technologie" takze vyznam pouzivat to ma a zase keby tam bolo iba "IT" tak to moze byt pre niekoho nezrozumitelne (napriklad Italy a pod)

Odpovědět


Re: IT technologie

Jakub Chalupnik,2016-01-12 08:12:20

Vzpominam si na knihu F. Behounka Svet nejmensich rozmeru, kde se nekdo z rodiny Curie rozciloval nad pojmem "radioaktivni paprsky" - "Paprskotvorne paprsky, co je to za hloupost?"

Odpovědět

Ultrazvukové skenování mozků?

Pavel Krajtl,2015-12-24 22:48:22

Jste si jisti že nepůjde i o ovlivňování?

Odpovědět


Re: Ultrazvukové skenování mozků?

Pavol Hudák,2015-12-25 13:37:54

tebe to moze uz byt beztak jedno, ty uz si ocipovany a maju ta v hrsti

Odpovědět


JSEM SI JIST fotonickým přepisem

Josef Hrncirik,2015-12-26 11:50:12

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni