Onderzoekers ontwikkelen chip met geïntegreerde optische communicatie

Onderzoekers van verschillende Amerikaanse universiteiten hebben een chip gemaakt waarop optische elementen en traditionele, processorelementen met transistortechnologie zijn verenigd. De chips kunnen optisch met elkaar communiceren.

De 'hybride' chips vormen een van de eerste op grote schaal produceerbare chips met zogeheten silicon photonics-technologie. Daarmee wordt de integratie van optische communicatie-elementen als lasers, waveguides en fotodetectors met cmos-technologie bedoeld. Dat zou als voordeel hebben dat chips met optische signalen over veel meer bandbreedte en met lagere energiekosten met elkaar kunnen communiceren dan met elektrische signalen mogelijk is. Uiteraard bestaan optische elementen voor datatransmissie via licht al langer, maar die techniek is niet compatibel met chipfabricagetechnieken zoals die voor processors of geheugen gebruikt worden. Diverse pogingen zijn gedaan om de incompatibele kristalstructuren voor optica en transistors te integreren.

De onderzoekers van de universiteiten van California, Colorado en het MIT hebben echter voor een andere aanpak gekozen: ze gingen uit van standaardfabricagetechnieken voor transistors en produceerden de geïntegreerde lasers met die halfgeleidertechnologie. Zo wisten ze chips te produceren die processorcores, geheugen en optische componenten hebben. Omdat standaardfabricagetechnieken gebruikt werden, konden complexe chips gebouwd worden: de testchips bevatten 70 miljoen transistors en ruim 850 optische componenten. Daarmee wordt de complexiteit van de chip vergeleken met een Pentium 4-processor.

Helaas!
De video die je probeert te bekijken is niet langer beschikbaar op Tweakers.net.

De chip van 3 bij 6 millimeter groot is opgebouwd uit twee risc-v-cores die op 1,65GHz geklokt zijn en ieder over 56kB L1-cache beschikken. Het onboardgeheugen bestaat uit 1MB geheugen. Het optische deel van de chips bestaat uit drie deelgebieden: een testgebied en twee transceiver-banken, een voor het geheugen en een voor de processor. Elke transceiver-bank bestaat weer uit twee delen, met elf ontvangers en elf zenders. Als demonstratie hebben de onderzoekers een opstelling met twee chips gebouwd, die met optische interconnects verbonden zijn.

De ene chip werd als geheugen geconfigureerd, terwijl de tweede als processor gebruikt werd. Via de optische verbinding gebruikte de processorchip dus het geheugen van de tweede chip. Als lichtbron werd een externe laser gebruikt die aan beide chips gevoed en door onboard modulators en filters verwerkt werd. De communicatiesignalen tussen beide chips werden via externe versterkers extra versterkt. Als testprogramma werd onder meer memtest gedraaid en daarnaast werd een geheugenintensieve rendertest doorlopen. De theoretische bandbreedte voor zenden en ontvangen is respectievelijk 550Gbps en 900Gbps. De onderzoekers verwachten dat hun techniek zonder veel problemen opgeschaald kan worden voor commerciële productie van processors die met licht communiceren.

Reacties (48)

[Mitsuko]

Als ik het goed begrijp wordt het met licht mogelijk om over 1 datalijn meerdere golflengten te multiplexen, waardoor in principe veel meer in parallel verstuurd kan worden op hetzelfde oppervlak. Fotonen bewegen zich ook sneller dan elektronen, maar het voordeel daarvan voor dataoverdracht is als ik me goed herinner vrij klein (het verschil tussen de lichtsnelheid en 2/3 daarvan, wat nog steeds heel snel is). Is dat een goede samenvatting van de (natuurkundige) voordelen? Het is een aantal jaar geleden dat ik me in deze stof heb verdiept.

[Jhonny44]

U zei het zelf eigenlijk al wel, doordat de snelheid van het licht nog hoger is dan dat van een elektrische puls, gaat de latency nog verder omlaag. De hele reden waarom L1-3 cash geheugen zo dicht op de CPU geplakt zit is voornamelijk om de afstand zo klein mogelijk te houden zodat de bandbreedte en ook de latency ongekend laag is.

De afstand van jouw RAM modules naar de CPU is ongeveer 5 tot 10 cm. Dat zou een elektronische puls ongeveer afleggen (onder perfecte omstandigheden) in 0,25 tot 0.5 nano seconden. Dat klinkt heel weinig, maar als je je realiseert dat een gemiddelde CPU 3 miljard berekeningen per seconde maakt dan krijg je dus 3 berekeningen per nano seconde die over dat kanaaltje zouden moeten lopen. Ook krijgen CPU's steeds meer cores waardoor er dus ook parallel gewerkt wordt (en dat wordt als maar meer, zie de 24 core Intels met HT).

Uiteraard zit er meer achter want zoals u al zei, multiplexing ofwel het gebruiken van meerdere golflengten aan licht binnen één enkele fiber verhoogd de bandbreedte natuurlijk ook aanzienlijk over een standaard elektronisch pulsje dat een hoog of laag voltage meedraagt.

De hardware die op dit moment het meeste profijt hiervan zal hebben zijn uiteraard data centers, rekenclusters, render farms en uiteraard servers. Hoe sneller de onderlinge communicatie, hoe meer data er verscheept kan worden en hoe sneller wij kunnen genieten van onze animatie films, websites, cloud diensten en ga zo maar door!

Ik ben benieuwd hoeveel malen sneller dit zal zijn met uiteindelijke producten i.v.t. de op elektrische impuls gebaseerde producten.

edit: Sissors en Terracotta hebben gelijk, fotonen hebben natuurlijk alleen in vacuüm snelheid c.

[Reactie gewijzigd door Jhonny44 op 28 juli 2024 23:08]

[Sissors]

De afstand van jouw RAM modules naar de CPU is ongeveer 5 tot 10 cm. Dat zou een elektronische puls ongeveer afleggen (onder perfecte omstandigheden) in 0,25 tot 0.5 nano seconden.

Door standaard glasvezel gaat licht met zo'n 2/3de c, wat dus neerkomt op 0.25 tot 0.5 nano seconden. Glasvezel heeft zeker voordelen, latency is er niet echt één van.

[ManIkWeet]

Nee hoor, licht gaat (bijna) net zo snel, echter moet het een langere afstand afleggen, aangezien het constant moet reflecteren tegen de zijkanten.

[Terracotta]

Nee hoor, licht gaat wel degelijk trager door optische media dan door het luchtledige. Door glasvezel is het in de buurt van 2c/3.

De elektromagnetische golf door kopergeleiders is trouwens ook niet gelinkt aan de snelheid van de elektronen. Elektronen verplaatsen zich een pak trager. Hoe snel de em golf gaat kan ik niet vanbuiten zeggen, maar ik meen me te herinneren dat het niet veel verschilt met optische snelheden (gezien licht uiteindelijk ook maar een em golf is, niet echt verbazingwekkend).

Edit: Als je met multimodale optische kabels zit moet je er inderdaad de langere afstand nog bij rekenen.

[Reactie gewijzigd door Terracotta op 28 juli 2024 23:08]

[Dark_man]

Ik zou juist zeggen door de lagere stroomverbruik en het gedeeltelijk kunnnen verkleinen van de chips dat het uitermate geschikt zal zijn voor mobiele apparaten zoals smartphones en tablets.

[vivoergocogito]

Misschien zit 't voordeel 'm vooral in warmte/energie reductie in plaats van veel extra snelheid?

[Aristo]

Denk ook aan interferentie. Als je hele kleine circuits maakt wordt het gevoeliger voor magnetische en elektrische interferentie. Met lichtcommunicatie kan je kleinere circuits maken zonder dat dit effect optreedt. Naast dit heb je ook een lager energieverbruik en dus ook minder warmte ontwikkeling, plus andere voordelen zoals eerder genoemde multiplexing.

[Sissors]

Kleine circuits zijn minder gevoelig voor interferentie. Al die zaken schalen met oppervlakte, waarbij kleiner beter is. Nu worden de signalen ook wel kleiner, maar het is echt geen probleem. De interferentie zit in de buitenwereld, zoals de kabels en connecties met andere chips.

[aadje93]

als de signalen parrallel lopen zullen zij op een DIE ook gewoon elkaar gaan storen door minimale magnetische velden die opgewekt worden, dat is de reden dat netwerk kabel altijd twisted pair is, waarbij de paren zelf vaak ook nog eens als twists lopen ipv 4 paartjes naast elkaar.

[BadRespawn]

Misschien zit 't voordeel 'm vooral in warmte/energie reductie in plaats van veel extra snelheid?

Het is wel degelijk flink 'sneller' qua bandbreedte (bits/s), alleen niet veel sneller qua latency (m/s).

[.oisyn]

het verschil tussen de lichtsnelheid en 2/3 daarvan, wat nog steeds heel snel is

De golffront van fotonen door glas gaat ook maar met 2/3c. De vraag is natuurlijk wat het medium is voor deze interne communicatie.

[Reactie gewijzigd door .oisyn op 28 juli 2024 23:08]

[SpiceWorm]

Hoeverre gaat dit een kantelpunt worden?

[Caelestis]

Hedendaagse chips hebben een bottleneck en dat is afstand voor het overbruggen van verbindingen met andere chips. Dit lossen we voornamelijk op met het kleiner maken van de procedé waardoor we de afstanden fysiek kunnen verkleinen maar dit heeft zijn limieten.

Met een combinatie van optische verbindingen en bestaande techniek kan een realistische tussenstap gemaakt worden voordat we volledig overgaan op optische chip tech en tegelijkertijd voldoen aan het steeds toenemende vraag naar bandbreedte.

[Sissors]

Waarom zouden we over willen gaan op complete optische chips? Ze hebben echt geen voordeel tov elektrische chips. Enkel bijvoorbeeld in een glasvezel router kan het handig zijn als je niet van van/naar elektriciteit/licht moet gaan, en je dus iets simpels mogelijk optisch zou kunnen afhandelen.
Maar zover nu te zien is, is er geen enkele reden waarom je een optische CPU zou willen maken (het heeft gewoon geen zin met de huidige optische transistoren. En dan is het niet een kwestie van dat ze verbeterd moeten worden, maar dat ze op een fundamenteel andere manier moeten werken voor het interessant kan zijn, en zelfs dan zit je aan fysische limieten die erg irritant zijn).

Optisch is uiteraard handig voor interconnects, zoals bijvoorbeeld tussen je CPU en je geheugen. Dat werkt gewoon beter dan elektrisch, en als je het dan goedkoop en efficient bij je CPU/geheugen erbij kan integreren is dat (potentieel) erg handig. Mogelijk kan je het on-chip voor klokdistributie gebruiken, maar meer dan dat zou ik voor on-chip niet verwachten.

En wat nu gedaan al wordt om die interconnects makkelijker te maken is dies (oftewel chips) op elkaar stapelen en through-silicon vias gebruiken, zodat je geen grote afstanden hoeft af te leggen met je signalen en je het hele probleem niet meer hebt.

[Caelestis]

Je zou een hele discussie kunnen voeren over super-geleiding, half-geleiding, straling en storing gevoeligheid enz. maar als je niet eens begrijpt dat een CPU niks anders is als een groot web van interconnects dan heeft het nogal weinig zin. Laat staan het hebben over al werkende quantum computers zoals die van google die draaien op optische chips(wordt nog steeds getest en doorontwikkeld natuurlijk maar het werkt).

Het is duidelijk dat denken dat je volgend jaar een optisch CPU op de markt kan verwachten niet realistisch is maar over 20 tot 30 jaar is het een feit en heel veel bedrijven zijn al jaren bezig met het ontwikkeling ervan.
Ontwikkelingen zoals in dit artikel zijn juist bedoeld om een brug te bouwen tussen beide technieken.

[Sissors]

Quantum computers is weer een hele andere tak van sport. Maar als je niet eens begrijpt dat 99% van de interconnects in een CPU minder dan een paar micrometer maximaal zijn, dan heeft het inderdaad nogal weinig zin.

[Caelestis]

Ongeacht dat een licht pulse nog steeds vele malen sneller is dan stroom door een half-geleider (de richting van jouw denk wijze) is afstand het minst relevante onderwerp als je het heb over optische techniek.

[Sissors]

Waarom zijn we nu de snelheid door een fiber aan het vergelijken met de snelheid door een halfgeleider? Dat is appels met peren vergelijken: Dan moet je het vergelijken met de snelheid door een elektrische interconnect, en drie keer raden: Die is vergelijkbaar met de snelheid van licht door een fiber.

En natuurlijk is afstand wel relevant, je gaat niet van elektrisch naar licht en dan 2um verderop weer terug naar elektrisch, de extra ruimte en energie die dat kost is veel groter dan de miniscule hoeveelheid die je zou besparen in zo'n korte interconnect. Voor grote afstanden kan de overhead het waard zijn, niet voor kleine afstanden.

[supersnathan94]

De grap is nu juist dat ze hiermee aantonen dat het geheugen helemaal niet pal naast de cpu hoeft te zitten. Waar in huidige pc's een centimeter of tien gebruikelijk is kan meter of drie met deze technieken ook. Dit kan dus betekenen dat moderborden straks een hele andere layout gaan krijgen met geheugenbanken ergens anders ofzo.

[Sissors]

Waarom dan? Als jij van 10cm naar 3m gaat, dan wordt de delay 30 keer zo groot.

Optisch kan je meer data over één draadje krijgen, je hebt minder last van interferentie en ik denk ook minder verliezen. Dus hoewel je daardoor je geheugen verder weg zou kunnen leggen, veranderd het niks aan latencies die oplopen.

[supersnathan94]

Kennelijk valt het dus reuze mee, want het geheugen is in deze opstelling verbonden met twee fibers van minimaal 2 meter per stuk.

Onthoud wel dat de verbinding tussen cpu en ram gewoon via koper gaat. De snelheid is dan anders dan bij die van een half geleider.
Puur de wissel van materiaal heft dit effect ws al op.

[Sissors]

De verbinding tussen CPU en RAM is normaal door koper, niet door een halfgeleider, die hebben echt helemaal niks met die verbinding te maken.

Ja ze hebben hier een verbinding die tot 2 meter kan zijn, maar ze hebben niet de performance van een moderne computer. Ik kan probleemloos een verbinding tussen CPU en RAM van 10m maken, met gewoon koper. Maar dan ben je je performance compleet kwijt.

Serieus dit is simpelweg een fysiek feit: De delay van het signaal door koper is niet groter dan de delay door een glasvezel. Hier valt niet over te discussiëren.

[supersnathan94]

Dat was meer voor cealestis bedoelt. Ik snap er ni namelijk ook helemaal niks meer van wie wat zegt en begrijpt.

[Caelestis]

Dat was meer voor cealestis bedoelt. Ik snap er ni namelijk ook helemaal niks meer van wie wat zegt en begrijpt.

Er klopt ook helemaal niks van dit discussie daarom was ik al gestopt met reageren.
Er wordt bevestigd dat het interessant is om optische verbindingen tussen chips te hebben maar dat een volledig optische chip nergens op slaat.
Ik heb het dan over het snelheid in halfgeleiders wat het basis material is van elke transistor in een CPU en elk ander willekeurig chip op aarde en dan als tegen argument is het appel met peren vergelijken en raak je alle voordelen kwijt als je steeds gaat schakelen tussen stroom en licht vanwege het afstand???

[MBV]

Welke magische kracht gaat dan gebruikt worden? Wat ik zo kan vinden gaat een signaal over een printplaat nu met +- 50% van de lichtsnelheid. Ik kan me goed voorstellen dat deze techniek allerlei voordelen heeft (2x zo snel, geen interferenties doorgeven, meerdere frequenties over 1 'kabel'), maar waar 10cm nu het maximum is vanwege de snelheid van een elektrisch signaal, zal dat met licht 20cm worden, niet meer.

[supersnathan94]

De snelheid van een elektrisch signaal schijnt ongeveer hetzelfde te zijn door koper als de snelheid van licht door een fiber. Namelijk 2c/3.

Ik denk alleen dat er meer te halen valt als we daadwerkelijk met fotonen gaan werken. De snelheid van een foton is namelijk vele malen sneller dan die van elektronen (afhankelijk van de stroomsterkte en de dikte van de kabel/trace)

[BadRespawn]

Waar in huidige pc's een centimeter of tien gebruikelijk is kan meter of drie met deze technieken ook.

Kan wel (kan nu in principe ook al zonder optische verbinding), maar ook met een optische verbinding neemt bij zo'n grote afstand de latency erg veel toe, wat een nadelig effect heeft op performance.

[supersnathan94]

klopt, maar ik bedacht me later pas dat het gaat om de snelheid van het elektrisch signaal, niet om de snelheid van de elektronen. Die is in koperen kabels beduidend lager dan de lichtsnelheid in een fiber.

[BadRespawn]

snelheid van de elektronen. Die is in koperen kabels beduidend lager dan de lichtsnelheid in een fiber.

Electriciteit is niet een stroom van electronen maar bestaat uit fotonen die tussen naastgelegen atomen springen en iedere keer even interactie hebben met een electron in het atoom, waarbij wat vertraging onstaat zodat de snelheid wat lager uitvalt dan die van licht in een vacuum, maar niet heel veel lager (50 tot 99% volgens wiki). Licht in een fiber gaat met ca 2/3 vd lichtsnelheid in een vacuum - dus niet heel veel sneller dan electriciteit in bvb een koperdraad.

Het grote voordeel van fiber is de veel grotere bandbreedte zodat de snelheid van data in bits/seconde veel hoger is dan wat met electriciteit door koper haalbaar is. Dat staat op zich los van latency, maar voor goede performance wil je zowel aan lage latency als een hoge bandbreedte.

[supersnathan94]

En dat is dus exact waar ik mee in de war was.

[guzzo]

Sterker nog, de meeste optische componenten (in InP dan) zijn zelf al groter dan die 2um.
De optische waveguides waar ze op de TUe bij de photonic integration groep veel mee werken zijn al 2 um breed (meen ik uit m'n colleges te herinneren), en dat is nog slechts een 'simpel optisch draadje'.

Optische chips gaat hem idd voorlopig niet worden. Al is het maar vanwege de grootte van de componenten. Die dingen significant kleiner maken kan bijna alleen maar door enorm complexe structuren en/of goud(als buitenkant van de waveguides) te gebruiken. Beiden geven ook enorme optische verliezen.

[baseonth3road]

Hier een interessant artikel over de voor en nadelen.

http://130.75.63.115/uplo...20Optical%20Computers.htm

[klompmaker]

Heel goed artikel! (+1)
De nadelen zijn eigenlijk alleen aanwezig vanwege de ontwikkeling die nog moet plaats vinden.

Het probleem ligt er dat er een complete verandering moet komen van de architectuur.
Alleen de CPU verplaats de botleneck alleen maar.

Maar even voor the record, het idee van optici CPU bestaat al 10 jaar.
Hopelijk pik het nu wat snelheid op!
Het zou namelijk ook enorm helpen bij kwantum computing.

[NBK]

Daarmee wordt de complexiteit van de chip vergeleken met een Pentium 4-processor

De chip van 3 bij 6 millimeter groot

De core van een P4 was echt een stuk groter dan dat. En toen was het al spannend of je je core niet beschadigde met de zware cpu koelers die je nodig had.

[Marctraider]

Wat heeft dit met koelers te maken? Trouwens als het ooit mogelijk is een totaal optische chip te maken dan hebben we een stuk minder last van rest warmte/inefficientie.

Mijn Nvidia chip is volgens mij zo'n 4x zo groot as mijn CPU Die onderhand, ik zie echt geen problemen hier.

[Reactie gewijzigd door Marctraider op 28 juli 2024 23:08]

[NBK]

Wat heeft dit met koelers te maken? Trouwens als het ooit mogelijk is een totaal optische chip te maken dan hebben we een stuk minder last van rest warmte/inefficientie.

Ze werken in dit geval nog met een externe laser waarbij de interne schakelingen het licht filteren. Nergens staat hoe zwaar deze externe laser is geweest. Misschien staat er wel een 10W laser naast. Dan zul je die chip van 6 bij 3mm toch moeten gaan koelen. Zeker omdat maar 1/5? van de chip daadwerkelijk het optische gedeelte bevat.

Maar het ging mij er eigenlijk meer om dat ze blijkbaar chips met de complexiteit van een P4 in een chipje kunnen stoppen van 3 bij 6 mm. Wat toch minimaal een factor 8 kleiner is dan destijds.
Er wel een beetje van uitgaande dat de complexiteit en aantal transistors in dit geval een beetje als maatstaaf gehanteerd kunnen worden om de die-size met elkaar te vergelijken.

[supersnathan94]

Ok vond met name de temperatuurregeling interessant. Doordat je de intensiteit kan aanpassen zonder dat de je signaalverlies hebt hoef je niet te throttelen in snelheid. Het leek er iig op dat de chip niet trager werd terwijl de temperatuur wel constant bleef.

[guzzo]

De intensiteit van de lichtbron van de microscoop (dus niet de lasers) werd aangepast, puur om de temperatuur van de chip te beïnvloeden. En daarmee het belang/werking van de temeratuur controle te laten zien.
De frequentie waarop deze componenten werken is sterk afhankelijk van de temperatuur. In het filmpje werd gezegd dat de chip slechts 1 graad warmer was geworden, maar toch stopte hij met werken.

[supersnathan94]

Ja ho ff. Dan moet je wel het geheel meenemen. Doordat de intensiteit van de microscoop lamp toenam moest de intensiteit van de fiber afnemen. De temperatuur bleef het zelfde en de snelheid ook. De lijn die je ziet bewegen is de interne temperatuur beveiliging die de boel regelt, maar niet terugklokt als ik het goed heb begrepen.

[guzzo]

Ik denk dat je de grafieken rechts boven niet goed begrepen hebt.

Bovenaan is het vermogen van het licht op de ontvanger geplot, welke constant blijft als de microscoop verlichting feller wordt gezet.
Daaronder heb je het vermogen dat de verwarming van de ringresonator (blauw oplichtende dingetje aan het als hij begint met de interface uit te leggen, +-2:40).
En onderaan is niet de snelheid maar de ratio tussen 1en en 0len die de chip ontvangt (of andersom, ratio tussen 0len en 1en, het filmpje is niet duidelijk of het de licht input aan blijft als er geen data wordt verstuurd of uit blijft)

Zoals de man rond 6:10 uitlegt zie je het vermogen uit de heater lager worden als de lamp feller gaat. Wat logisch is omdat de chip warmer wordt van het felle licht en de heater dus minder hoeft te doen.

Ringresonators (en andere optische componenten) zijn erg warmte gevoelig, wat temperatuur controle belangrijk maakt. Omdat op een chip lokaal (dus alléén de resonator) koelen erg lastig is (praktisch onmogelijk) worden deze vaak verhit. Het circuit is dan ontworpen om optimaal te werken op een hogere temperatuur dan de chip. Die hogere temperatuur bereik je dan dmv een heater ('simpel' verwarmings draadje) welke je in kan stellen. Wordt de chip warmer hoeft de heater minder te doen en wordt zijn vermogen minder.

[kimborntobewild]

Een klein doolhof kan complexer zijn dan een groot doolhof.
Formaat van de banen/wanden zegt op zich niks over de complexiteit.

[klompmaker]

Waarom doolhof?
Ik snap je opmerking niet.

[kimborntobewild]

NBK reageerde met De core van een P4 was echt een stuk groter dan dat. inzake de complexiteit op De chip van 3 bij 6 millimeter groot. NBK draagt dus het formaat van de chip aan als complexiteit voor de chip.
En dat formaat op zich zegt niks over de complexiteit.

Waarom doolhof

Leek me wel evident... Als je een chip onder een vergrootglas legt, is het net een doolhof.
Een doolhof van 300 bij 600 m. met 10 gangen en 20 haakse bochten is minder complex dan een doolhof van 30 bij 60 m. met 100 gangen en 200 haakse bochten.
Formaat zegt dus niks over complexiteit.

[baseonth3road]

Transister count P4: 42 000 000
Transister count test chip: 70 000 000

[Rixos]

Wat supertof dit. Altijd mooi om echt de volgende stap in een bepaald productieproces te zien. Dit beloofd een hoop moois voor de toekomst.

[Verwijderd]

Intel en IBM zijn nu al meer dan 5 jaar met Silicon Photonics bezig, vraag me af hoe ver ze al zijn.