I ricercatori IBM hanno presentato un prototipo di tecnologia in grado di portare enormi quantità di banda, in modo efficiente dal punto di vista energetico, a tutti i tipi di macchine – dai telefoni cellulari ai supercomputer – che potrebbe rivoluzionare il nostro modo di accedere, utilizzare e condividere le informazioni tra molte applicazioni diverse.
La nuova tecnologia utilizza la luce anziché i fili per inviare le informazioni e potrebbe consentire, ad esempio, la trasmissione di 8 terabit al secondo di informazioni – equivalenti a circa 5.000 video stream ad alta definizione – utilizzando la potenza di una singola lampadina da 100 watt.
Un’ampiezza di banda di questo tipo può aumentare l’efficienza energetica nei data center e accelerare la condivisione di grandi insiemi di dati: scienziati che elaborano informazioni per scoprire nuovi farmaci o simulano il comportamento di sistemi complessi tramite modelli numerici o effettuano previsioni meteorologiche; persone che condividono film utilizzando dispositivi o inviano in pochi secondi immagini ad alta definizione a uno specialista per una diagnosi mentre il paziente è in ambulatorio.
Questo prototipo di “collegamento ottico ecologico” è studiato per soddisfare i requisiti di banda del supercomputing a peta ed esa-flop, segnando un passo avanti significativo rispetto al lavoro presentato dallo stesso team di ricerca un anno fa. La nuova tecnologia inserisce chip ottici e bus dati ottici in un unico package realizzato con componenti standard.
“Lo scorso anno abbiamo presentato un circuito dotato di un transceiver (transmitter-receiver) ottico, in grado di trasmettere un film ad alta definizione in meno di un secondo, utilizzando parti e processi specificatamente progettati e realizzati per questo scopo. Appena un anno dopo, abbiamo collegato quei circuiti ad alta velocità, attraverso schede a circuiti stampati dotate di “conduttori” ottici densamente integrati. Ora abbiamo costruito un transceiver ancora più veloce, non con pezzi personalizzati ma utilizzando solamente strumenti e componenti standard e disponibili sul mercato”, spiega Clint Schow, IBM Researcher e componente del team che ha costruito il prototipo. “Non si tratta di esperimenti teorici o di chip che lavorano nelle condizioni particolari di laboratorio, bensì di circuiti che potrebbero essere disponibili nel mercato nei prossimi due anni. L’innovazione sta nel fatto che realizziamo l’ottica con lo stesso tipo di packaging dell’elettronica”.
Le applicazioni per questa tecnologia vanno da telefoni cellulari a supercomputer, e coprono vari i settori, dall’elettronica di consumo all’assistenza sanitaria:
· Video ad alta definizione. Man mano che si diffonde il video ad alta definizione, questa tecnologia consentirà un’estesa condivisione di video HD e video on-demand, aumentando enormemente l’ampiezza di banda dei server video. I siti di web-serving che ospitano i video potrebbero avvalersi di questa tecnologia per accedere a librerie con milioni di film e video clip ad alta definizione nel giro di pochi secondi, velocizzando l’accesso per gli utenti.
· Assistenza ai pazienti: Medici e ricercatori potrebbero inviare immagini ad alta definizione, ad es. immagini di risonanza magnetica, ecocardiogrammi, che sono file enormi, per l’analisi in tempo reale e la visualizzazione in 3-D.
· Elettronica di consumo: Versioni “in scala ridotta” della tecnologia di interconnessione ottica possono trovare applicazione in una vasta gamma di prodotti di consumo. Ad esempio, nei telefoni cellulari, un chip potrebbe essere collocato nella base del telefono e l’altro nel display, consentendo il trasferimento di file molto grandi, e addirittura di contenuto ad alta definizione, dall’uno all’altro. Il vantaggio è che utilizzando l’ottica invece dei fili, il display può essere sollevato e abbassato o spostato da lato a lato senza l’impedimento dei fili elettrici.
· Incorporando una porta dati ottica nei laptop, videoregistratori HD, lettori mp3 e video, cellulari o PDA, è possibile archiviare contenuti video HD e visualizzarli su schermi esterni ad alta risoluzione.
· La maggiore ampiezza di banda delle interconnessioni dati consentirà ai supercomputer massivamente paralleli di avere un impatto sostanziale in molti campi: migliorerà la capacità di calcolo nelle simulazioni di dinamica molecolare, contribuirà ad accelerare le scoperte farmacologiche, fornendo una modellazione meteorologica/climatica accurata e aumenterà la nostra comprensione della fisica subnucleare, come la cromodinamica quantistica.
Il prototipo presentato oggi dagli scienziati IBM è il bus dati ottico più veloce e integrato del mondo, in grado di permettere la connessione di un numero senza precedenti di computer ad alte prestazioni, perché lavorino come un unico sistema.
Caratteristiche tecniche
Le schede dotate di supporto ottico, o “Optocard”, impiegano un fascio di guide d’onda ottiche a bassa perdita, costituite da polimeri, per condurre la luce tra i trasmettitori e i ricevitori. Il bus dati completo realizzato con queste Optocard è costituito da un elevato numero di canali ad alta velocità, e ne permette anche la compattazione per ottenere una densità senza precedenti: ogni canale della guida d’onda ha dimensioni inferiori a quelle di un capello. L’approccio di packaging per il sistema completo è esclusivo, perché utilizza un’integrazione dei chip ibrida per produrre un modulo ottico altamente integrato, o “Optochip”.
L’Optochip è un assemblaggio multicomponente in 3D, realizzato con processi di saldatura superficiale tradizionali, simili a quelli attualmente utilizzati nella produzione di massa di circuiti elettrici.
Il bus dati da 10 Gb/canale è la prima dimostrazione in assoluto di un datalink ottico integrato, da modulo a modulo, dotato di 32 canali e realizzato su una scheda a circuiti stampati. La necessità di comunicazioni fotoniche ad elevata ampiezza di banda tra chip o moduli è oggetto di discussione nella letteratura tecnica da più di un decennio, e sono stati prodotti a scopo dimostrativo solo vari piccoli sottoinsiemi di questa tecnologia. IBM ha assemblato una soluzione integrata e pienamente funzionale, che rappresenta un progresso significativo nel campo delle interconnessioni ottiche a livello di chip. Dimostrando la fattibilità dell’ottica parallela ad alta densità, IBM ha reso più vicina la prospettiva di un impiego nel mondo reale di interconnessioni ad alta capacità tra i chip.
Oltre al bus dati ottico, IBM ha sviluppato anche un modulo transceiver ottico parallelo, con un elevato numero di canali e una maggiore velocità di funzionamento: 24 trasmettitori e 24 ricevitori, che operano ciascuno a 12.5 Gb/s. La velocità di trasferimento dati bidirezionale totale che ne deriva è senza precedenti: 300 Gb/s, quasi il doppio delle prestazioni della generazione precedente. Rispetto ai moduli ottici attualmente in commercio, il transceiver fornisce una banda di 10 volte maggiore in 1/10 del volume, a parità di consumo di potenza. Per consentire una produzione di volume a basso costo, il nuovo transceiver utilizza dei laser a cavità verticale (VCSEL) standard da 850 nm: versioni ad alta velocità dei dispositivi economici che si trovano in molti mouse dei computer. Concentrandosi sulla combinazione innovativa di tecnologie a basso costo e a bassa potenza, quali VCSEL e chip CMOS, IBM apre la strada a un’adozione diffusa delle comunicazioni ottiche.
IBM vanta una lunga tradizione di ricerca nell’ottica parallela ad elevata ampiezza di banda, e le rivoluzioni attuali sono state realizzate nell’ambito di un programma finanziato dalla DARPA, lanciato nel 2003, per dimostrare interconnessioni chip-to-chip a banda larga attraverso guide d’onda polimeriche integrate su una scheda a circuiti stampati. Ulteriori dettagli di questo lavoro saranno forniti in due presentazioni in occasione della Optical Fiber Communications Conference edizione 2008, che si terrà a San Diego, California. Clint Schow presenterà “300-Gb/s, 24-Channel Full-Duplex, 850-nm, CMOS-Based Optical Transceivers” (Transceiver ottici basati su CMOS, a 850 nm, 24 canali full-duplex, 300 Gb/s) il 25 febbraio e Fuad Doany presenterà “Chip-to-Chip Board-Level Optical Data Buses” (Bus dati ottici a livello di scheda chip-to-chip) il 28 febbraio. Il team che ha sviluppato il bus dati ottico e la tecnologia dei transceiver copre tutti i laboratori di ricerca IBM mondiali e la lista degli autori di queste presentazioni comprende: J. Kash, C. Baks, D. Kuchta, P. Pepeljugoski, C. Tsang, C. Patel, N. Ruiz, R. Horton, J. Knickerbocker, R. Budd, F. Libsch, R. Dangel, F. Horst e B. Offrein.