התפתחות של Microprocessor Interconnects

המרדף הבלתי פוסק של ביצועי מחשוב גבוהים הציב דרישות חסרות תקדים על נתיבי התקשורת בתוך ובתוך בין המיקרו-מעבדים.במשך עשרות שנים, מסלולים אלה – הידועים כקישורים – נבנו באמצעות אוטובוסים חשמליים, אשר עבדו היטב לשיעורי נתונים צנועים יחסית.היום, כמו עומסי עבודה בבינה מלאכותית, ניתוח בזמן אמת, ודרישות גבוהות של מחשוב לדחוף רוחב פס למגוון השני של חיבורים חשמליים, המגבלות של חיבורים חשמליים מסורתיים הפכו לאמצעי אבטחה קריטיים של מערכות אופטיות.

טכנולוגיות קשורות נוכחיות: A Foundation Under Strain

מיקרומעבדים מודרניים מסתמכים על היררכיה של קישורים המשתרעים מהשבב עצמו אל לוח האם ומעבר לו.ברמת השבבים, על שבבים (כגון crossbars, meshes ורשתות טבעת) להעביר נתונים בין ליבות, caches, ו- Memory Controllers (Selcicial Compe) לתקני מחשב (Ne-C) כגון: NoC) היו חיוניים למעבדים מרובים, אך הם צורכים מספר רב של מספר רב של התקנים של קישורים אוטומטיים של קבצים ו-SAP (IX) באמצעות תקנים סטנדרטיים (RIC) ו-SAP (RIC) ו-SAP (RIC) באמצעות תקנים סטנדרטיים סטנדרטיים סטנדרטיים סטנדרטיים (p) של מערכת הפעלה קבועים (p) ו-I) באמצעות פרוטוקולים (p (p) של מערכת ההפעלה של ציוד אבטחה ו-I) באמצעות פרוטוקולי תיבות של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת הפעלה מהירה (p (p (p (p (RIC) של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של 2.

במקביל, קשרי זיכרון כגון DDR5 ו- HBM3 דחפו את שערי הנתונים ל-8.4 GT/s ומעבר, אך הם גם עומדים בפני מגבלות פיזיות בסיסיות.נקודת המפתח היא שכל דור של חיבור חשמלי דורש טכניקות מתוחכמות יותר ויותר - pre-emphasis, משוב שווה, תיקון קדימה - לפצות על המגבלות הטבועות של עקבות נחושת וחומרים דיאלקטריים אלה.

תפקיד אוטובוס החזית-Side ומעבר

מבחינה היסטורית, אוטובוס החזית-Side (FSB) היה הקישור העיקרי בין CPU לבין מרכז בקר הזיכרון.כמו מהירות השעון שצומח, FSB הפך לצוואר בקבוק ידוע לשמצה, המוביל לאימוץ של חיבורים נקודתיים לנקודה לנקודות כמו HyperTransport ו- Intel QuickPath Interconnect (QPI) אלה עברו מאוטובוסים משותפים לקישורים ישירים, צמצום התוכן ושיפור יכולת, אפילו לנקודות קצה של מערכות אלקטרו-טווח קצר יותר, הן רק לנקודות קצה, רק לנקודות קצה מהירות יותר, אך ורק לנקודות קצה של מערכות אלקטרו-טווח ארוך יותר.

קשורים: צוואר הבקבוק המקומי

בתוך מעבד רב-די מודרני, הנתונים חייבים לנוע ברחבי רשת של חוטים כי crisscross theסיליקון למות. חוטים גלובליים מסורתיים הם רחב יחסית לצרוך כוח דינמי משמעותי כפי שהם גובים ושחרור קיבולנס.עם כל טכנולוגיה node, עיכובים חוטים לא בקנה מידה כמו גם עיכובים טרנסיסטורים, יצירת "משבר חיוט" שבו תנוחות תקשורת שולטות בביצועים הכוללים של המערכת הגיבו עם לחץ חשמלי גבוה, אך ורק על גבי שבב חשמלי אחד על גבי שבבים חשמליים, הוא עדיין על פני שבבים חשמליים, אך ורק על פני שבבים חשמליים, הוא עדיין על פני שבבים חשמליים, אך ורק על גבי שבבים חשמליים, הוא עדיין על פני שבבים חשמליים, על פני שבבים אינטנסיביים על פני שבבים חשמליים.

אתגרים של אוטובוסים מסורתיים בעידן של רפורמות

הקשיים העומדים בפני חיבורים חשמליים אינם חדשים, אך הם הופכים להיות יותר נוקשים כאשר שיעורי הנתונים צועדים לעבר 112 Gb/s לכל נתיב ומעבר לכך הם האתגרים הקריטיים ביותר שמגבילים אוטובוסים מסורתיים וקשרי חשמל של נקודה לנקודה.

  • (FLT:0) רוחב פס מחוזים בתדרים גבוהים יותר של 1 (FLT:1) - עקבות קופר מתנהגים כקווי שידור אבודים בתדרים גבוהים, זרז אותות וגורם לתזמון ג'רמיטר.התוצאה היא רוחב פס ניתן לנתב לדרגות נתיב, מה שמחייב מעצבים להכפיל ספירת נתיבים - אשר מגבירה את ספירת הסיכות ואת מורכבות החבילה.
  • (FLT:0) בעיות יושרה זרות עקב התערבות אלקטרומגנטית של קונסולת 1) - קרוסב בין נתיבים סמוכים, השתקפות של תקלות אי התאמה, מקורות רעש חיצוני מדרגות איכות אות.כפי שעולה שיעורי השעון, הדיאגרמת העין קרובה, הדורשת שוויון מורכב זה מוסיף עצלות וכוח.
  • (FLT:0) צריכת החשמל המשוחררת 1FLT) - האנרגיה לקצת עבור חיבורים חשמליים אינה עולה בקנה מידה עם מרחק.עבור קישורים שבבים-ל-צ'יפ יותר מ -10 ס"מ, הכוח מתפזר בנהגים, מקלטים, והפסקת התנגדות הופך לשבריר משמעותית של תקציב הכוח הכולל של המערכת.
  • (FLT:0) מגבלות פיזיות בסקאלה של גדלים אוטובוס 1LT - Achieving רוחב פס גבוה יותר לאזור יחידה דורש כווץ כתמים חוטים וגדלים מחבר.זה מחריף את בעיות הצלב והייצור, תוך גם דוחף את הגבולות של הגירה אלקטרו-חושית באמצעות מאגרי מיקרו-בומפ.
  • (FLT:0) ,Latency overheadFLT:1 - טכניקות כמו תיקון שגיאות ופרוטוקול מראש להוסיף עשרות ננו השניות לכל traversal. בעוד ננו השניות נראות טריוויאליות, הן מצטברות על פני ההופים הרבים בשרת רב-הוק, המשפיע על ביצועי יישום הכוללים.

אתגרים אלה אינם רק תיאורטיים – הם מניעים חשיבה יסודית על האופן שבו מערכות מחשוב בעלות ביצועים גבוהים נבנות.התעשייה הגיבה בחידושים כגון איים מתח טעונים, השוויון ההסתגלות והאריזות המתקדמות (למשל, 2.5D ו-3D ערמות) כדי ללסחוט ביצועים נוספים מקישורים חשמליים.אבל אלה הם אמצעי הפסקת-הפסקות; הפיזיקה של נחושת ומטמים חשמליים בסופו של דבר מטילים תקרה.

שינוי בכיוון Optical Interconnects

קישורים אופטיים משתמשים באור מודולה - באופן קטי מ לייזר או דיודיה קלילה - כדי לשאת נתונים באמצעות גל מונחה או סיבים אופטיים.הרעיון הוא בן עשרות שנים, אבל עד לאחרונה, העלות והמורכבות של שילוב רכיבים אופטיים עם סיליקון היו מונעים.זה משתנה, מונע על ידי התקדמות בפוטניקה, מיקרו-LEDs, ו- copacked אופטיקה של שילוב של אותות אופטיים עם שבבים אופטיים, מאפשר גליקויים אופטיים אופטיים ישירות, אשר פותחים, הם תאים אופטיים, אשר מאפשרים שבבים אופטיים, עם שבבים אופטיים, אשר פותחים, אשר פותחים, עם שבבים, אשר מאפשר, כולל שבבים, אשר מאפשר, ממריצים אופטיים אופטיים אופטיים, עם שבבים, אשר פותחים, עם שבבים אופטיים, עם שבבים אופטיים, עם שבבים, עם שבבים, עם שבבים, אשר פותחים אופטיים אופטיים, אשר מאפשר, באופן ישיר, עם שבבים אופטיים, עם שבבים אופטיים, אשר מאפשר, עם שבבים אופטיים אופטיים, מונעים אופטיים אופטיים, מונעים, הם ישירות, אשר פותחים, אשר פותחים, אשר פותחים, מונעים, אשר פותחים,

כיצד קישורים אופטיים פועלים ברמת המערכת

קישור אופטי טיפוסי במערכת מחשב מורכב ממקור לייזר (לעתים קרובות מחוץ ל-chip או משולב על מוות פוטוני נפרד), מודולר המקודש נתונים חשמליים לתוך הדופקים קלים, גל או סיבים כדי להנחות את האור, ו photodetetalk כי להמיר את האות אופטית בחזרה לתוך נתונים חשמליים. כי אור לא סובל מהתנגדות, קפיאנס או הפרעה אלקטרומגנטית, זה יכול להיות מרחק גבוה יותר עם גל גבוה יותר, 000).

תצורה מבטיחה אחת היא קו-אופטיקה ארוזה, שבו מעגל משולב פוטוניקה (PIC) ממוקם מיד ליד מעבד או לעבור ASIC בתוך אותה חבילה. גישה זו מבטלת את הצורך של עקבות חשמליים ארוכים על פני PCB, צמצום צריכת האנרגיה וגם לנטיות. מנהיגים תעשייתיים כגון אינטל, NVIDIA, ו- Broadcom הפגינו אבטיפוסים העוברים בין CPU לרשת של מאות מנועי שיתוף פעולה אופטי.

יתרונות של קישורים אופטיים

  • (FLT:0) באופן משמעותי יותר העברת נתונים גבוה יותר שיעורי ההרחבה של LT:1) - קישורים אופטיים פועלים באופן שגרתי ב 400 Gb /s ו 800 Gb /s סיבים או גל, עם הפגנות מסחריות כבר ב 1.6 Tb /s. מספר אורכי גל ניתן מרוביםxed (Wave אורך החטיבה מספרxing, WDM) כדי להכפיל את היכולת אפילו ללא מספר הולך וגדל של ערוצים פיזיים.
  • (FLT:0)בינוניות להתערבות אלקטרומגנטית של 1FLT:1) - אותות אופטיים אינם מושפעים על ידי רעש, צולב, או בעיות מעומקות, מה שהופך אותם אידיאליים לסביבות עם רעש חשמלי גבוה, כגון מרכזי נתונים המכילים אלפי שרתים ארוזים בקפידה.
  • (FLT:0)פונטני למיניטור ולאינטגרציה עם טכנולוגיה סיליקון קיים FLT:1 - פוטוניקה הסיליקון ממנת ייצור CMOS בוגר, המאפשר ייצור זול, גבוה של רכיבים פוטוניים לצד טרנזיסטורים.זה פותח את הדלת למונוליטי I / O השוה על אותו למות כמו הליבה מיקרו-מעבד.
  • (FLT:0) אנרגיית לואוור לפחות מועברת 1FLT) - קישורים אופטיים נוכחיים לצרוך סביב 1-5 pJ /bit עבור מרחקי שבב-to-chip של כמה ס"מ, עם תחזיות נופלות מתחת ל-0.5 pJ /bit כמו אינטגרציה משתפרת.
  • (FLT:0) , 000 התחדשות (FLT:1) - אותות אופטיים propagate על שני שליש את מהירות האור בזכוכית, בעוד אותות חשמליים בנסיעות נחושת בערך מחצית מהירות האור או פחות, בהתאם קבוע דיאלקטרי.בנוסף, קישורים אופטיים אינם דורשים קווי חימום כוח שווה, חיתוך השקיפות על ידי עשרות ננו השניות.

מגמות עתידיות ופיתוח ב- Optical Interconnects

המעבר ממערכות חשמל לחיבורים אופטיים הוא מתקדם היטב, אם כי זה יקרה בשלבים בעשור הבא.מעבדות מחקר ומפת דרכים המוצר מצביע על כמה התפתחויות מפתח אשר יעצבו את העתיד של תקשורת מיקרו-מעבדית.

צילום: Silicon Photonics Maturation

פוטוניקה של הסיליקון התקדמה מנושא מחקר נישה למציאות מסחרית.חברות כמו סיסקו, אינטל ו-Marvel מציעים כעת transceivers המשלב שבב פוטוני סיליקון עם נהג CMOS, המאפשר 100 Gb / ו 400 Gb / קישורים במגיני מרכז נתונים.הצעד הבא הוא לשלב את מקור לייזר על שבב, ביטול הצורך לייזרים חיצוניים הדורשים היערכות מדויקת ואמינות מתקדמת של מחזור חיים של סרטן, אך מבטיחות לייזר של מחזור חיים היברידית.

אופטיטיס (Oמודולים) ואופטימיים

CPO, ה-CPO (CPO) מאומץ לקצר את הנתיב החשמלי בין ASIC לבין המנוע האופטי. ב- CPO, ה- PIC מחובר לאותו תת-קרקעי כמו CPU או מתג, לעתים קרובות במודול רב-כייפ (MCM) תצורה של המודולים שמכשירי חשמל חייבים לנוע מהמעבד לנהג המכוון, לצמצום הכוח ולקבוע את הסטנדרטים של ה-COPTS (OC) שלהם ל-C.

מערכת פוטוניקה-חשמלית-ב-Package (SiP)

במבט קדימה, החזון האולטימטיבי הוא מערכת פוטונית-אלקטרונית משולבת לחלוטין, שבו שבב יחיד מכיל אלפי ערוצי I / O אופטיים, כל אחד מהם פועל בעשרות Gb /s. חלק כזה יכול לספק רוחב פס מצטבר של עשרות Tb /s תוך צריכת רק כמה וואט של כוח עבור החלק האופטי.זה יאפשר ארכיטקטורות מהפכניות, כגון מאגר זיכרון מבוזר או כל רשתות אופטיות בתוך כל שרת אופטית.

השפעה על ארכיטקטורות מחשוב

הזמינות של מערכות חשמל נמוכות, חיבורים אופטיים גבוהים ינופו באופן יסודי כיצד מערכות מחשב נועדו.חשבו על ההשלכות הבאות:

  • (FLT:0) עיבוד מהירויות של מרכזי נתונים ו- SupercomputersFLT:1 - קישורים אופטיים לחסל את חומת I / O אשר מגבילה כיום את הסקאלה במערכות גדולות. Exascale ופוסט-exascale מחשבי העל יסתמכו על בדים בין-קישור אופטיים כדי לקשור מיליוני צמתים ללא עלויות כוח בלתי-מרוסות.
  • (FLT:0) יותר מידע יעיל באנרגיה העברה בתוך מכשירים של LT:1) - מכשירים צרכניים מהמחשבים לסמארטפונים יכולים לשלב חיבורים אופטיים עבור תעבורת נתונים מהירה גבוהה בין זיכרון, מעבד ותצוגה, להאריך את חיי הסוללה ומאפשרים גורמי טופס דק יותר.
  • (FLT:0) של אדריכלות חדשה כמו מחשוב קוונטי (FLT) 1:1 - מחשבים קוונטיים דורשים עקשנות נמוכה מאוד, יחסי גומלין נמוכים כדי לקשר בין נקודות ומערכות בקרה קלאסיות. אותות אופטיים לא לגרום רעש אלקטרומגנטיים וניתן לנעוץ עם דיבור מינימלי, מה שהופך אותם אידיאליים עבור שילוב הקוונטי-קלאסי.
  • (FLT:0) ניכוי בגודל הפיזי של חיבורים מהירים במהירות גבוהה (FLT) 1:1 - כי ניתן ארוזים גלי גל אופטיים בצפיפות ללא התערבות, טביעת הרגל הבין-קשר מתכווץ, שחרור שטח לוח עבור אלמנטים יותר תואמים או צמצום גודל המערכת הכולל.
  • (FLT:0) ,Enabling השבבים ו-HeterogeneousאינטגרציהFLT:1 - דחיפה לעבר עיצובים מבוססי שבב מודולרי דורש גבוה פסד, כוח נמוך למות - אל-ידי חיבורים אופטיים מציעים נתיב לחבר שבבים על פני מרחקים של כמה סנטימטרים עם הרבה פחות אנרגיה מאשר גשרים חשמליים, מה שהופך אותם אטרקטיביים עבור מעבדים מרובי אינטרנט עתידיים.

מעבר לצילום: Beyond Silicon Photonics

בעוד פוטוניקה הסיליקון שולטת במפת הדרכים לטווח קצר, פלטפורמות חומר אחרות נחקרות. Lithium niobate Modulators מציעים מתחים כונן נמוך מאוד ומהירויות מודולציה גבוהות, המאפשר קישורים אולטרה-נמוך-נמוך-אנרגיה. phosmonic interconnects, אשר מגביל אור לסביבות ⁇ -Gate-Gate, מבטיח אפילו יותר צפיפות אבל מול הפסדים ספיגה גבוהה יותר, על בסיס לייזרים מהירים המבוססים על פני פחמן-כימות על טכנולוגיות קוונטיות אלה, כגון:

פרספקטיבה

חיבורי מיקרו-מעבד הם בנקודה השתקפות.אוטובוסים חשמליים מסורתיים ששירתו את התעשייה נאמנה במשך עשרות שנים הם מגיעים לגבולות פיזיים בסיסיים שלא ניתן להתגבר על ידי הנדסה חכמה בלבד.קישורים אופטיים, במיוחד אלה המשתמשים בפוטונים סיליקון ואופטיקה משותפת, מציעים נתיב ברור קדימה: רוחב פס גבוה יותר, כוח נמוך יותר, פחות טמפרטורות גבוהות יותר, בעוד המעבר לא יקרה בין לילה - כלומר, כלומר, כלומר, לשיקולים חדשים של רשתות אופטיים, ואז, ואז, צריך רק כדי להגיע אל תוך זמן קצר יותר, כדי להגיע, לתקנים חדשים, ואז, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, לחץ גבוה יותר, כלומר, כלומר, לחץ על פני טווח, כדי להבטיח את הסטנדרטים בטווח הארוך, כדי להבטיח את רמת אבטחה, כדי להגיע, כדי להגיע, לחץ גבוה יותר, על פני כדור הארץ, על פני כדור הארץ, כלומר, כלומר, על פני כדור הארץ, על פני כדור הארץ, כדי להגיע, כדי להבטיח, לחץ גבוה יותר, רק כדי להבטיח את השינויים בטווח הארוך, לחץ גבוה יותר, רק כדי להגיע, לחץ גבוה יותר, לחץ גבוה יותר, כדי להבטיח, על פני כדור הארץ, לחץ גבוה יותר, על פני כדור הארץ, לחץ גבוה יותר, על פני כדור הארץ, רק כדי להגיע, לחץ גבוה יותר, לחץ

לקריאה נוספת על הפרטים הטכניים וההתקדמות בתעשייה, ראה את ה-FLT:0 סיליקון פוטוניקה דף מחקר סיליקון סיליקון מיפוי 1 ו-FLT:2Optical Internet Working ForumFLT:3; A לאחרונה נייר לבן מן ה-FLT:4Co-Packed Optics AllianceFLT:523) מספק מפת דרכים לפרוסת CPO במרכזי נתונים היפר-טכנולוגייתיים, בנוסף לסקר אור מקיפים (SCR).