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Llevando luz a las computadoras
Investigadores de IBM anunciaron recientemente un conmutador de silicio a nanoescala que puede dirigir billones de bits de datos por segundo dentro de una red óptica. El cambio podría hacer posible incorporar la velocidad y el ancho de banda de una red de telecomunicaciones en una computadora personal, dicen los investigadores. Este es un objetivo cada vez más importante para los ingenieros que buscan el mejor diseño para las futuras máquinas multinúcleo: computadoras con más de un centro de procesamiento.
Dirigir el tráfico: IBM ha desarrollado conmutadores de silicio que se pueden utilizar para controlar el flujo de datos en redes ópticas en chip. Cada uno de los ocho interruptores de arriba está hecho de cinco resonadores en forma de anillo. La imagen fue tomada con un microscopio óptico.
El avance brinda a los investigadores más control sobre dónde se dirigen los bits en una red óptica más pequeña que una uña. Estamos hablando de enrutar un terabit por segundo a través de un solo conmutador, dice William Green, un investigador de IBM que trabajó en el proyecto. Tal rendimiento es comparable al que se logra con racks muy grandes de equipos montados para fibra óptica de telecomunicaciones.
Las computadoras de primera línea de hoy vienen con dos o cuatro núcleos de procesamiento general, pero dentro de la próxima década, los ingenieros esperan construir computadoras con decenas de núcleos. Uno de los principales problemas con la fabricación de una máquina de muchos núcleos es que no está claro cómo permitir que todos los núcleos se comuniquen de manera eficiente entre sí y con otros componentes de la computadora que se encuentran fuera del chip, como la memoria. Actualmente, toda esta comunicación se realiza a través de cables metálicos que están grabados en chips y placas de circuitos. Pero los cables tienen una resistencia intrínseca que limita la velocidad de los datos. Además, los electrones que fluyen pueden producir interferencias eléctricas y calor que pueden provocar errores de cálculo.
Los dispositivos ópticos y las guías de onda integradas en el mismo silicio que se utiliza para fabricar chips son alternativas prometedoras a los componentes electrónicos y los cables metálicos. En los últimos años, ha habido una avalancha de actividad en este campo, conocido como fotónica de silicio, de IBM, Intel, Sun Microsystems, Hewlett Packard, MIT, la Universidad de Columbia y la Universidad del Sur de California, por nombrar algunos. Los investigadores han estado creando constantemente dispositivos basados en silicio cada vez más eficientes, como láseres, moduladores que codifican datos en luz, detectores y filtros que limpian las señales a medida que viajan a través de una red. De hecho, Sun Microsystems recibió recientemente un contrato de 44 millones de dólares del Pentágono de los EE. UU. Para investigar enfoques para reemplazar cables metálicos con haces de luz.
Si bien hay muchas piezas que son necesarias para las redes ópticas intracomputadoras, el anuncio de cambio de IBM es un paso importante para hacer que dicho sistema sea práctico. Ha habido muchos avances en la fotónica de silicio, dice Cool Bergman , profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de Columbia, pero el conmutador de IBM es muy importante para poder hacer redes ópticas en chips. Debido a que el dispositivo enruta varias longitudes de onda de luz diferentes a varias partes de un chip o del sistema, los ingenieros no necesitan construir guías de ondas de punto a punto para cada destino en un sistema. Esto le permite generar y enrutar fotones a múltiples destinos de una manera más eficiente, dice Bergman.
El cambio de IBM, que se describe en un artículo reciente en Fotónica de la naturaleza , está hecho de anillos resonantes conectados grabados en silicio. Los anillos tienen solo 200 nanómetros de altura, mucho más pequeños que las dimensiones de las fibras ópticas que normalmente transportan luz. Cuando se enciende el interruptor, los electrones se envían a un anillo específico. Estos electrones cambian la forma en que resuena el anillo, lo que efectivamente bloquea el paso de la luz. La luz rebota en el resonador y se refleja en otra dirección.
El diseño es único por varias razones, explica Green. En primer lugar, el conmutador no filtra la luz en función de su longitud de onda, a diferencia de los conmutadores que se utilizan en las redes de telecomunicaciones que necesitan enrutar tipos específicos de luz a destinos específicos. Y cuantas más longitudes de onda de luz pasen a través de una red en chip, más ancho de banda estará disponible.
Una segunda característica distintiva, señala Green, es que el conmutador de IBM puede soportar una variación de aproximadamente 30 ° C, lo que es crucial para garantizar que la red sea confiable. Dentro de cualquier microprocesador, dice Green, los puntos calientes se mueven alrededor de la superficie del chip en función del procesamiento numérico. Si estas interconexiones ópticas se distribuyen por toda la superficie, dice, los ingenieros deben asegurarse de que los puntos calientes no cambien las propiedades de los dispositivos, de modo que los datos puedan llegar a cada extremo del chip sin alteraciones. La resistencia a la temperatura del interruptor, dice Green, se debe, en parte, a permitir el paso de múltiples longitudes de onda de luz. A medida que el interruptor cambia de temperatura, también cambia las propiedades, lo que hace que se bloqueen algunas longitudes de onda de luz. Pero dado que el conmutador fue diseñado para enrutar un amplio espectro, aún puede funcionar en un entorno con una temperatura variable.
Green dice que podrían pasar de cinco a diez años antes de que este cambio llegue a una máquina comercial. IBM ya ha fabricado moduladores ópticos de silicio ultrapequeños, pero, dice, llevará años integrar el modulador, el conmutador y otros componentes con la electrónica del chip.
De hecho, la promesa de la fotónica de silicio genera un nuevo desafío: cómo rediseñar una computadora para que se comunique con la luz en lugar de con los electrones. ¿Cómo se diseña una red interconectada que realmente explote la óptica? pregunta Bergman. No se pueden seguir las reglas de diseño de redes de la electrónica, dice. Hay muchas cosas que van a evolucionar dramáticamente a medida que avancemos.