Крупнейшая в мире компания в области информационных технологий, уже более 90 лет занимающая лидирующие позиции в новаторском преобразовании бизнеса.
Суперкомпьютеры, состоящие из тысяч отдельных процессорных «мозгов», соединенных километрами медных проводов, смогут однажды поместиться в персональный ноутбук – во многом благодаря настоящему прорыву ученых IBM, о котором объявлено сегодня.
В то время как современные суперкомпьютеры используют количество электроэнергии, сопоставимое с энергопотреблением сотен домов, эти будущие «суперкомпьютеры на микросхеме» будут расходовать примерно столько же электрической энергии, сколько потребляет обыкновенная электрическая лампочка.
В статье, опубликованной в журнале Optics Express, исследователи IBM подробно описали свое научное достижение, которое, несомненно, является эпохальным прорывом в способе передачи информации между несколькими вычислительными ядрами – или «мозгами» – на микросхеме с помощью импульсов света через слои кремния, а не с помощью электрических сигналов по проводам.
Эта инновационная методика – известная в отрасли как кремниевый электрооптический модулятор Маха-Цандера – выполняет функцию преобразования электрических сигналов в световые импульсы. Размер модулятора, созданного учеными IBM, в 100 (или даже 1000) раз меньше подобных модуляторов, продемонстрированных ранее, что открывает широкие возможности интеграции множества таких устройств – а, в перспективе, и готовых оптических сетей с маршрутизацией – в одной микросхеме. Это позволит значительно сократить стоимость, энергопотребление и тепловыделение при одновременном повышении пропускной способности каналов обмена данными между ядрами в сотни раз по сравнению с чипами, использующими медные проводники.
«Научные исследования и разработки техпроцессов, связанные с увеличением плотности упаковки вычислительных ядер на одном кристалле микросхемы, активно ведутся как IBM, так и другими организациями отрасли, однако современные технологии внутренних коммуникаций на уровне чипа развивались слишком медленно для поддержки возрастающих объемов обмена данными между вычислительными ядрами, — утверждает доктор Т. С. Чен (T. C. Chen), вице-президент подразделения IBM Research по науке и технологиям. — То, что мы сделали, можно по праву назвать важнейшим шагом на пути создания значительно более компактного и энергетически эффективного способа организации каналов обмена данными между ядрами – методики, которую никто не применял ранее».
В настоящее время один из самых передовых чипов в мире – разработанный IBM процессор Cell, которым оснащаются игровые приставки Sony Playstation 3 – содержит 9 процессорных ядер на одной микросхеме. Новое достижение ученых IBM позволило создать уникальную энергетически эффективную методику беспроводных межсоединений сотен или тысяч ядер, расположенных на одном микрочипе. Применяя световые импульсы вместо проводов, можно в 100 раз увеличить скорость обмена информацией между ядрами и затратить при этом в 10 раз меньше электроэнергии.
«Мы считаем это важнейшим прорывом в области кремниевой нанофотоники, — говорит доктор Уилл Грин (Will Green), ведущий сотрудник подразделения IBM Research и научный руководитель проекта. — Подобно тому, как оптоволоконные сети способствуют бурному развитию Интернета, позволяя людям во всем мире обмениваться огромным объемом информации, инновационная технология IBM обеспечивает точно такие же возможности в компьютерном чипе».
Оптический модулятор IBM выполняет функцию преобразования цифрового электрического сигнала, передаваемого по проводам, в серию световых импульсов, которые распространяются по кремниевому нанофотонному волноводу. Сначала луч лазера (исходного источника света) направляется на оптический модулятор, выступающий в роли быстродействующего «затвора» – своеобразной шторки, которая, открываясь и закрываясь, пропускает или задерживает лазерный луч на его пути в выходной волновод. Когда цифровой электрический импульс поступает от процессорного ядра в модулятор, «шторка» на мгновение открывается, и короткий импульс света пропускается к выходному оптическому волноводу. Именно таким образом осуществляется модуляция оптического луча входного лазера; и модулятор преобразует поток «единиц» и «нулей» цифровых битов электрического сигнала в световые импульсы.
Отчет об этой работе, озаглавленный "Ultra-compact, low RF power, 10 Gb/s silicon Mach-Zehnder modulator" («Ультракомпактный высокочастотный кремниевый модулятор Маха-Цандера с пропускной способностью 10 Гбит/с и низким энергопотреблением») опубликован в журнале Optics Express (том 15). Авторами отчета являются сотрудники исследовательского центра IBM имени Т. Дж. Уотсона (г. Йорктаун-Хайтс, штат Нью-Йорк) Уильям М. Дж. Грин (William M. J. Green), Майкл Дж. Рукс (Michael J. Rooks), Лидия Секарик (Lidija Sekaric) и Юрий А. Власов (Yurii A. Vlasov). Данная работа выполнялась при поддержке Управления перспективных исследований Министерства обороны США (Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA) в рамках программы «Slowing, Storing and Processing Light» («Замедление, хранение и обработка света»).
Сегодняшнее сообщение подводит итог десятилетней новаторской работы исследовательских лабораторий IBM Labs, в результате которой ИТ-индустрия получила новые материалы и технологии для создания сверхкомпактных, мощных и энергетически эффективных компьютерных чипов.
Обнародованные в 1997 году результаты инновационных исследований IBM привели к переходу полупроводниковой индустрии от алюминиевых проводников к более прогрессивной медной технологии, что дало в целом по отрасли немедленный эффект снижения сопротивления потоку электронов на 35% и увеличения производительности чипа на 15%.
Ученые IBM тогда не остановились на достигнутом рубеже и продолжали улучшать производительность чипов, ориентируясь на закон Гордона Мура. Вот краткий перечень достижений, о которых IBM сообщила только в 2007 году:
Технология "high-k/metal-gate" – «изолирующий слой с высокой диэлектрической проницаемостью/металлический затвор» (январь 2007 г.) — решение одной из наиболее сложных проблем, связанной с током поверхностной утечки транзистора. Это инновационное решение предусматривает применение нового материала для изолирующего слоя в затворе полевого транзистора. Материал, который заменит традиционный диоксид кремния при изготовлении электрода затвора, обладает великолепными изолирующими свойствами и обеспечивает требуемый показатель емкостного сопротивления между затвором и каналом. Оба этих свойства позволяют уменьшить размеры и увеличить скорость срабатывания транзистора, что ведет к улучшению эксплуатационных характеристик чипов, применяемых в компьютерах и других электронных системах.
Технология eDRAM (февраль 2007 г.) — встроенная динамическая оперативная память с произвольным доступом. Замена статической оперативной памяти SRAM на новый тип динамической памяти (DRAM), использующий технологию «внутрикристалльной памяти» ("on-chip memory"), позволит IBM более чем втрое увеличить объем встраиваемой памяти и, тем самым, существенно повысить производительность микропроцессорного чипа.
Технология 3-D Chip Stacking (апрель 2007г.) — «трехмерная» упаковка полупроводниковых чипов. IBM представляет т.н. «трехмерные» микросхемы, основанные на технологии "through-silicon vias" («соединения сквозь кремний»), которая позволяет размещать в одном корпусе нескольких чипов друг над другом, что, в свою очередь, дает возможность перейти от двухмерных горизонтальных топологий микросхем к трехмерной (3D) упаковке кристалла. В итоге, благодаря значительному уменьшению общей длины внутрисхемных межсоединений (до 1000 раз), можно формировать компактные многослойные структуры полупроводниковых компонентов.
Технология Airgap (май 2007г.) — В чипе процессора с архитектурой POWER в результате применения т.н. нанотехнологии «самосборки» ("self assembly") формируется безвоздушное пространство между километрами проводников, что приводит к уменьшению нежелательного емкостного сопротивления и, как следствие, к повышению производительности и снижению энергопотребления.
ЙОРКТАУН ХАЙТС, штат Нью-Йорк© Издание 12NEWS (ИП Маринин А.Л.) 12news.ru,
