Ferralabs Профессионально о компьютерах
В конце июля по давно сложившейся традиции компания Intel собрала журналистов и аналитиков на ежегодный "редакторский день" – Editors Day, с обзорами новых перспективных технологий Research@Intel. В этом году мероприятие проводилось неподалёку от штаб-квартиры Intel в городе Санта-Клара
В конце июля по давно сложившейся традиции компания Intel собрала журналистов и аналитиков на ежегодный "редакторский день" – Editor’s Day, с обзорами новых перспективных технологий Research@Intel. В этом году мероприятие проводилось неподалёку от штаб-квартиры Intel в городе Санта-Клара, Калифорния, а именно – в знаменитом Музее Компьютерной Истории Intel (Computer History Museum) в городке Маунтин-Вью (Mountain View), где, собственно, и располагаются лаборатории Intel Labs.
Нашему изданию посчастливилось среди других репортёров принять участие в этом мероприятии, состоявшем из посещения выставки перспективных разработок, знакомства с исследователями и партнёрами Intel, а также экскурсий по новому центру разработчиков компании и ряда презентаций.
Наш сегодняшний репортаж будет посвящён одному аспекту последнего "редакторского дня" – исследованиям Intel в области оптоэлектроники и, соответственно, последним достижениям в развитии технологии LightPeak, с рассказом о соответствующей презентации, виртуальным путешествием по лаборатории фотоники Intel и фоторепортажем с соответствующих стендов выставки. Другим событиям мероприятия будет посвящена дополнительная статья.
Медь – она тоже не железная: о ближайших перспективах оптики
Нельзя сказать, что в наше время оптические способы передачи данных представляют собой особенную экзотику. Сегодня оптоволокно используется повсеместно — в качестве магистральных и межсерверных линий передачи данных, как решение "последней мили", в качестве интерфейсов сверхбыстрых накопителей и во множестве других приложений.
До сегодняшнего дня в приложениях, чувствительных к скорости обмена данными, на расстояниях от единиц и сотен метров до десятков километров, негласно господствовали оптоволоконные коммуникационные соединения. В то время как расстояния менее метра – например, между платами, процессорами, ядрами, оставались вотчиной преимущественно медных соединений.
Похоже, совсем скоро такому status quo наступит конец, ибо требования к плотности передачи данных повышаются с каждым днём, а возможности меди, увы, не безграничны. Даже в самом тонком серверном форм-факторе – blade, сегодня умудряются разместить несколько мощнейших многоядерных процессоров, и с каждым годом количество вычислительных ядер на единицу "серверной площади", согласно Закону Мура, будет прирастать опережающими темпами, соответственно увеличивая плотность генерируемого трафика данных.
На каком-то этапе растущий параллелизм вычислений, физические лимиты по наращиванию слоёв плат, количества контактов коммуникационных разъёмов и многие другие факторы так или иначе заставят "упереться" в физические ограничения медных соединений. Межблочные и межплатные медные кабеля, в свою очередь, также исчерпают свои возможности в силу зависимости скорости обмена данными от длины и радиуса сгиба, а сечение медных жил таких кабелей их вес, объём и, соответственно, громоздкость, отнюдь не способствуют организации эффективных воздушных потоков для охлаждения внутренних компонентов системы.
Итак, медные соединения понемногу подбираются к потолку своих возможностей. Как скоро будет настигнут этот предел? Достаточно скоро, чтобы уже сейчас озаботиться поисками адекватной и масштабируемой замены.
Технология LightPeak: идеи трансформируются в железо
Оптические соединения в качестве интерфейсов для передачи данных между чипами, платами, узлами и компонентами внутри центров хранения данных, суперкомпьютеров, серверов, а в перспективе и внутри настольных систем, требуют разработки совершенно новых аппаратных и программных решений. Прежде всего, не стоит забывать, что речь идёт о передаче данных со скоростью десятков, а то и сотен гигабит в секунду, а в перспективе речь идёт о терабитах.
Такие интерфейсы должны обладать возможностью мгновенной коммутации различных источников и приёмников сигнала, быть максимально компактными, минимально ресурсоёмкими и в перспективе недорогими, ибо в каждой системе со временем их счёт будет вестись на десятки, сотни, тысячи.
Также необходимо учитывать, что оптические технологии для компьютеров в большинстве случаев представляют собой оптоэлектронные устройства, где оптический сигнал преобразуется в электрический и наоборот. Это накладывает свою специфику на весь спектр компонентов таких устройств. Для нормального функционирования оптоэлектроники необходимы такие компоненты, как источники опорного сигнала (лазеры), модуляторы, детекторы и т.п. Каждый из них по возможности должен стыковаться с уже имеющейся инфраструктурой, сочетаться с имеющимся пулом технологий и стандартов.
Лаборатория фотоники компании Intel работает в этой области достаточно давно. Ещё в прошлом году, в рамках осеннего форума для разработчиков — Intel Developer Forum 2009, компания впервые представила архитектуру нового оптического типа компьютерных интерфейсов для обмена данными со скоростями выше 10 Гбит/с под названием LightPeak Technology. И если полгода назад технология представляла собой скорее концепцию, то в этом году инженеры компании показывали готовые работающие прототипы различных компьютерных оптоэлектрических модулей, а некоторые из них фигурировали как элементы второго поколения.
Взять, к примеру, лазеры, используемые в качестве опорных источников модулируемого оптического сигнала. Первое поколение таких устройств было разработано в Intel ещё в 2005 году, тогда речь шла о первых стабильных кремниевых рамановских лазерах. Первый гибридный кремниевый лазер был испытан в лаборатории компании ещё в сентябре 2006 года, а сейчас исследователи говорят о втором поколении гибридных лазеров на основе фосфида индия, с возможностью использования кремния в качестве волновода.
Уже сейчас у Intel имеются работающие образцы модуляторов и детекторов с пропускной способностью до 40 Гбит/с, а интегрированный тестовый чип и вовсе справляется со скоростями вплоть до 200 Гбит/с.
В перспективе производительность оптоэлектрических устройств может быть повышена многократно. Так, ещё в декабре 2008 года Intel представила образцы фотодетекторов с фантастической тактовой частотой до 340 ГГц.
По поводу совместимости устройств фотоники с нынешними стандартами и технологиями хорошо выразился в своём докладе Джастин Ратнер (Justin Ratner). По его словам, технология LightPeak не является чем-то специфическим из разряда новых протоколов передачи данных, вроде USB 3.0. Потому что технология LightPeak будет передавать любые потоки данных с сохранением имеющихся протоколов без изменений, будь то USB, Ethernet или DisplayPort. таким образом, можно сказать уже сейчас, что LightPeak может применяться повсеместно без дополнительного согласования транспортных протоколов, LightPeak – по сути, это всего лишь линия передачи данных, не конфликтующая с другими стандартами.
Экскурсию по технологической лаборатории Photonics Technology Lab проводил для нас её руководитель, доктор Марио Паничья (Mario Paniccia), удостоенный также почётного звания Intel Fellow. Самое, пожалуй, замечательное, что нам было показано в процессе экскурсии – это технология LightPeak, уже готовая к интеграции в составе ноутбука и настольного ПК.
В процессе демонстрации нам показали как с помощью платы LightPeak сигнал с ноутбука и настольного ПК передаётся на внешний дисплей. В качестве транспортного протокола использовался интерфейс DisplayPort, сигнал которого с помощью специальной PCI Express платы LightPeak конвертировался в оптический, и затем, после передачи и обратной конвертации, сигнал демонстрировался на экране дисплея. Оптический соединительный кабель может быть очень длинным без существенных потерь сигнала.
Кроме того, нам также продемонстрировали ряд устройств с интерфейсом Light Peak в связке с Wi-Fi.
Как и любая другая технология, LightPeak будет переживать несколько этапов внедрения. На первых порах это будут обычные интерфейсные платы с поддержкой ряда стандартных протоколов, вроде USB, HDMI, DP, PCIe и пр., с плавным переходом от скоростей 10 Гбит/с к 100 Гбит/с на протяжении ближайшего десятка лет. Затем последует появление кремниево-оптических устройств, интегрированных в единые гибридные модули. В дальней перспективе можно ожидать появления оптоэлектронных устройств, интегрированных в единые монолитные блоки.
Цена таких блоков будет достаточно низкой, так что следующим шагом можно ожидать внедрения оптических протоколов в самые разные устройства, включая как мощные серверные приложения, так и домашнюю компактную и карманную электронику – настольные ПК, ноутбуки, смартфоны, и так далее. Цель – добиться в ближайший десяток лет формирования общей универсальной для всей индустрии оптоэлектрической платформы с поддержкой единого стандарта гибких кабелей.
Здесь надо отметить, что во время тура по лаборатории фотоники Intel в этом году особый акцент делался уже не на доработке технологии, которая в целом уже вполне готова к массовому внедрению. Главный упор делался на вопросы интеграции ключевых технологий в единое целое.
Сегодня не передний план выходят практические проблемы внедрения, создания единого стандарта оптических интерфейсов. Например, до сих пор острым и открытым остаётся вопрос стандартизации габаритов и формы оптического разъёма. Другая сторона вопроса: очень тонкие оптические кабели, которым не нужны столь массивные разъёмы как, например, для USB 2.0, и даже для версии USB mini-B. Пока индустрия не придёт к согласованному стандарту миниатюрных оптических разъёмов, никакой речи не может быть об адаптации оптических интерфейсов в различных мобильных устройствах.
Другой аспект проблемы – разобщённость мирового индустриального сообщества в вопросах интеграции оптических интерфейсов в ближайшем будущем. Здесь Intel вновь выступает как организатор рабочей группы компаний для стандартизации соответствующих протоколов.
Кстати, скорость передачи данных нынешней версии интерфейса Light Peak – 10 Гбит/с, также вызывает вопросы, особенно в связи с тем, что это всего в два раза больше чем 5 Гбит/с у интерфейса USB 3.0. Показательно в связи с этом, что Intel до сих пор не представил чипсетов с интегрированным USB 3.0 в своём роадмэпе.
Во время экскурсии по лаборатории Silicon Photonics Lab нам показали не только готовые и вполне работающие прототипы модуляторов с производительностью до 40 Гбит в секунду на канал, но также универсальный 8-канальный оптический коммутатор.
Производительность восьми оптических каналов тестового чипа составляет по 25 Гбит/с, суммарная агрегатная производительность достигает 200 Гбит/с. Таким образом, специалисты Intel понемногу приближаются к пределам, когда производительность каналов передачи данных вплотную приблизится к терабиту в секунду.
Руководитель лаборатории д-р Паничья также представил нам прототип серверного устройства, где оптический 40 Гбит/с модулятор Light Peak использовался в качестве интерфейса для передачи данных шины QPI в серверной плате с процессором Xeon.
В ближайшей перспективе можно ожидать, что оптические быстродействующие интерфейсы появятся там, где они более всего нужны, например, для передачи данным между процессором и оперативной памятью. Такие интерфейсы будут легко интегрироваться непосредственно в CPU, при этом агрегатная производительность может запросто достигать 250 Гбит/с и даже 500 Гбит/с (25/50 линий 10 Гбит/с).
По словам представителей Intel, в настоящее время технология LightPeak достигла вполне работоспособного уровня, и следующим шагом можно ожидать коммерциализации проекта. В планах компании – передача образцов устройств LightPeak заинтересованным OEM-производителям ещё до конца 2010 года. Ожидается, что OEM-партнёры будут готовы представить готовые оптоэлектрические устройства на протяжении 2011 года.
Подводя итоги, можно сказать, что оптоэлектронные чипы, оптические интерфейсы для компьютеров – это уже не какая-то отдалённая перспектива, но вполне реальные планы, реализация которых намечена на ближайший год. Совсем скоро приложения фотоники обзаведутся недорогой корпусировкой и появятся во всех сегментах вычислительных систем – клиентских, серверных, суперкомпьютерных
.
Более дальняя перспектива разработчиков лаборатории фотоники Intel – масштабирование производительности оптических интерфейсов с нынешних 10 Гбит/с до 1 Тбит/с и далее.
И если сегодняшние медные соединения ещё как-то могут соперничать с 10 Гбит/с производительностью, то в масштабах терабитных сетей у них нет никаких шансов – ни в ценовом плане, и в производительном.
Фотоника уже на пороге. До встречи в вашем ПК.
