| Apie | Žurnalas | Archyvas | Mokslo įdomybės | Paieška |

2003 m. Nr. 1 turinys

· Reikalavimai telekomunikacinių tinklų sujungimui

Karinės technologijos
· Technologija prieš terorą
· Palydovų nukreipiami ginklai

· Terahercai - elektromagnetinių bangų spektro "plėšiniai"
· Kinija tampa nauju elektronikos milžinu
· Užjūrio investuotojai savo lustus gamina Kinijos įmonėse
· Žinutės

Internetas
· Šį kartą lengvai atsipirkta, o ateity?..
· Tinklas ateina į namus
· Žinutės
· Momentinių žinučių verslas
· Pokalbiai ir vaizdai randa kelią internete

Nanotechnologija
· Žinutės
· Nanoatmintinė
· Kompiuterius paspartins...mikrobai
· Nuostabus tranzistoriaus mažėjimo procesas
· Kur pažvelgsi, visur "nano"

Mobilusis ryšys
· Mobilieji telefonai, radarai ir žmogaus sveikata
· Žinutės
· Trečiosios kartos mobiliojo ryšio tinklai turės laukti savo valandos
· Kosminis turizmas

Elektronika
· Kaip kuriamas Intel mikroprocesorius
· Žinutės
· Klaviatūra ant bet ko
· Moderni antrinių žaliavų perdirbimo gamykla
· Paskutinis mados žodis - audeklu apvilkti pastatai
· Atminties prietaisų perspektyvos aiškėja

Optinis ryšys
· Žinutės
· Paskutinei ryšio linijos myliai - šviesolaidis
· "Kairiarankė" medžiaga sąveikauja su elektromagnetine spinduliuote
· Sujungti šviesa

Istorija
· Žmogus, pardavęs saulę

Sujungti šviesa

Įrodę savo privalumus ilgo nuotolio ryšio sistemose, fotonai netrukus įsiskverbs ir į kompiuterius

   Palyginkime mūsų kompiuterių ir miesto magistralių duomenų srautus. Ten, kur duomenų srautus valdo procesoriai, baitai perduodami pašėlusiu greičiu. Bet ten, kur vieną ryšio mazgą su kitu sieja laidinės linijos, duomenų perdavimo sparta ženkliai sumažėja. 2002 m. pavasarį jau pasirodė Intel procesorius Pentium 4, kuris veikia net 2,4 GHz taktų dažniu, tačiau duomenys patenka į magistralinę liniją, veikiančią jau 400 MHz dažniu. Akivaizdu, kad duomenų perdavimo trukmę nuo vieno mazgo į kitą ar nuo vieno kompiuterio į kitą lems lėtosios grandies pralaida. Skaidulinės linijos duomenis gali perduoti reikiama sparta, bet to nepasakysi apie laidines (vario) linijas. Aišku, kad kuo arčiau procesoriaus optinė linija, tuo mažiau bus vietų, kur strigs duomenų perdavimas.

   Mokslininkai prognozuoja, jog vos per kelerius metus daugelis kompiuterio laidžiųjų jungčių bus pakeistos optinėmis, kad ne elektronai, o šviesa perduotų signalus iš vienos plokštės kitai, iš vieno lusto - kitam ir net iš vienos lusto dalies - kitai (1 pav.).

1 pav. Netrukus bus naudojami optiniai sujungimai.
Ši technikos naujovė, pradėta įdiegti ilgų nuotolių ryšio sistemose, vėliau skverbsis ir į kompiuterių vidų.

   Iš esmės ši optoelektronikos idėja paprasta ir jau senokai įgyvendinta ryšio technikos ir kitose srityse. Procesoriaus signalas moduliuoja lazerio spinduliuotę, ji oru ar šviesolaidžiu patenka į fotodetektorių, kuris savo ruožtu šviesą keičia elektriniu signalu. Nors šiuo metu optinės sistemos yra brangesnės nei elektrinės, netoli tas metas, kai tik optinės technologijos pajėgs lygiuotis su galingais mikroprocesoriais - taip, kaip šiais laikais tik tolimojo nuotolio optinio ryšio tinklai tinka interneto srautams tiekti į visus pasaulio kampelius.

   Duomenų perdavimo laidais sparta priklauso nuo linijos parazitinių parametrų - varžos, talpos ir induktyvumo. Duomenų perdavimo trukmę, taigi ir spartą žemų dažnių srityje riboja nuoseklioji spausdintinių plokščių takelių varža, kurią šuntuoja parazitinė talpa. Kai plokštė veikia aukštesniais dažniais, duomenų impulsų perdavimą labiausiai trikdo nuoseklusis induktyvumas.

   Šie žalingi veiksniai labai priklauso nuo laido formos, o ypač nuo jo ilgio. Laido varža yra tiesiog proporcinga jo ilgiui ir atvirkščiai proporcinga jo skerspjūvio plotui. Kadangi laido varža priklauso nuo geometrijos, varinio laido pralaida yra proporcinga jo skerspjūvio plotui, bet mažėja kaip laido ilgio kvadratas. Taigi kuo platesnis, o ypač ilgesnis laidas, tuo mažesnė duomenų perdavimo sparta. Lusto atveju šie dėsningumai turi kai kurių ypatumų, bet rezultatas - tas pats.

   Duomenų perdavimas gali būti spartinamas perduodant galingesnius signalus, bet šis sprendimas nėra pats geriausias, nes didėja triukšmai, sklindančiai galiai keliami papildomi reikalavimai, o temperatūros reguliavimo uždaviniai darosi dar sudėtingesni. Būtų galima naudoti storesnius laidus, bet tuomet ryšio linijoms trūktų vietos. Šviesos fotonai tokių sunkumų nepatiria, užtat susiduria su viena didžiausia kliūtimi - fotonų sugertimi, dėl kurios silpsta spinduliuotės galia. Bet, kai nuotoliai nedideli (kompiuterio vidus), šių trūkumų galima nepaisyti.

   Kaip minėjome, tolimojo optinio ryšio tinklų pralaida yra gerokai didesnė nei siauresnės dažnių juostos vietinio ryšio tinklų. Tačiau tos laidinės ryšio linijos grandies, kuri ateina į abonento namus, pralaida yra dar mažesnė. Todėl gerai suprantamas telekomunikacijų kompanijų noras pakeisti vadinamosios paskutinės mylios ryšio linijos laidą optine skaidula. Panašiai mąsto ir kompiuterinės technikos kūrėjai - montuoti optinius sujungimus kuo arčiau procesoriaus, kad jo signalai būtų perduodami kuo platesnės dažnių juostos linijomis. Kompiuteriai jau jungiami į optinio ryšio tinklus, ne ilgesnius kaip 300 metrų. Netolimoje ateityje dėl tų pačių priežasčių duomenys optinėmis linijomis bus perduodami iš vienos plokštės kitai kompiuterio viduje. Savo eilės laukia ir daugiaprocesorinės sistemos. Iš esmės šių sistemų sudedamosios dalys jau yra parengtos - pigūs lazeriai, jautrūs detektoriai. Parengti ir duomenų perdavimo iš vieno elemento į kitą metodai. Svarbiausias klausimas - kada optinės sistemos veiks gerai ir patikimai, o jų kaina sumažės tiek, kad jos galėtų nurungti laidines linijas.

Dėžės viduje

   Daugelis optinių sujungimų projektuotojų įsitikinę, kad signalas turi sklisti savitom linijom - bangolaidžiais. Pavyzdžiui, kompanija DaimlerChrysler Research (Ulmas, Vokietija) projektuoja bangolaidines optinių sujungimų plokštes, kurios jau naudojamos lėktuvų ir ryšio technikos kompiuteriuose. Čia, kaip ir daugumoje optoelektroninių schemų, fotonai sužadinami per paviršių spinduliuojančiu diodiniu lazeriu su vertikaliuoju rezonatoriumi (žr. Derinamieji lazeriai//Ryšių technikos naujienos 2002 Nr.2) VCSE (vertical-cavity surface-emitting). Lęšiai sklindančios šviesos spindulį išskečia iki kelių milimetrų skersmens (2 pav.). Didesnio skersmens šviesos pluoštas tikrai neprasilenks su bangolaidžio įvadu, o bangolaidžio išvade jis bus nukreiptas į kitą lęšį, kuris spindulį fokusuos į fotodetektorių. DaimlerChrysler darbuotojai tvirtina, kad polimerinį bangolaidį lengviau integruoti į sistemą, nei optinę skaidulą.

2 pav. Optinių sujungimų plokštė didina duomenų srautus.
DaimlerChrysler kompanijos sukurtoje optinių sujungimų plokštėje diodinio lazerio spindulys, perėjęs per lęšių sistemą ir atsispindėjęs nuo mikroveidrodžio, patenka į polimerinį bangolaidį. Kitame bangolaidžio gale spindulys patenka į fotodetektorių, kuris optinį signalą vėl verčia elektriniu. Bandomoji sistema veikia 1 Gb/s sparta.

   2002 m. kovo mėn. buvo sėkmingai išbandyti optiniai sujungimai, kurie garantavo 1 Gb/s duomenų perdavimo spartą trumpesniais nei metras nuotoliais. Šiuo metu kompanija kuria ir laboratorijoje bando 2,5 Gb/s bei 10 Gb/s pralaidos optinius sujungimus.

   Kitą bangolaidinę schemą kuria prieš dvejus metus susikūrusi Primarion Corp. (Tempe, Arizonos valstija). Kompanija pradėjo kurti optines grandines, kurių pralaida trumpais nuotoliais yra 10 Gb/s. Svarbiausias tikslas - pasiekti, kad tokios pralaidos linija būtų sujungta su procesoriumi. Projektuojamoje schemoje elektrinis signalas nuo spausdintinės plokštės keliauja prie lazerinio lusto, kuris elektrinį signalą paverčia optiniu. Su lazerio moduliu sujungtas kitas - 12 VCSE lazerių rinkinio modulis. Lazerio spinduliai skaidulomis sklinda prie kitos plokštės, kur fotodetektoriaus (imtuvo) lustas apdoroja optinį signalą ir paverčia jį elektriniu.

   Primarion technologijų padalinio viceprezidento Johno Burnso nuomone, per dvejus trejus metus kompiuteriuose jau bus naudojami kompaktiniai optoelektroniniai moduliai, turintys ir įvadą, ir išvadą. Tokiuose prietaisuose bus ir integriniai grandynai elektriniam signalui apdoroti bei lazeris ar fotoelektrinis imtuvas; elektriniai kontaktai bus modulio apačioje, optiniai sujungimai - šonuose. Kompanija numato gaminti ir spausdintines optines plokštes, kurios nuo įprastinių skirsis tik tuo, kad vietoj vario takelių bus naudojami polimeriniai bangolaidžiai.

   2000 m. pabaigoje kompanija Agilent Technologies (Palo Alto, Kalifornijos valstija) tokias jungtis jau pradėjo pardavinėti. Jos skirtos naudoti ne patiems kompiuteriams, bet kompiuterių tinklui, kurio matmenys neviršija 300 m., kurti. Pietų Kalifornijos universitetas (Los Andželas) drauge su kompanijos Advanced Interconnect vadovu Anthoniu F. J. Leviu parengė kištukinės optoelektroninės jungties korpuso, gebančio persiųsti duomenis 10 Gb/s sparta, modelį. Jame yra 4 siųstuvai ir tiek pat imtuvų; su kitu korpusu jis jungiamas 4 optinėms skaidulomis. Yra sukurta ir 12 kanalų korpuso versija, veikianti 40 Gb/s sparta; visais kanalais duomenys siunčiami tik viena kryptimi. Panašius gaminius siūlo ir kitos kompanijos; jais galima sujungti serverius, panaudoti duomenų saugojimo centruose, ryšio tinkluose.

   Pasak Agilent optinių sujungimų ir tinklų skyriaus vadybininko Davido Dolfio, kitas kompanijos tikslas - sukurti sujungimų plokštę, skirtą naudoti kompiuteriuose. Norint neatsilikti nuo sparčiai tobulėjančių procesorių, reikia kurti mišrias optines elektrines schemas, nes tokios schemos plokštė 10 kartų praplėstų pralaidumo juostą. D. Dolfio nuomone, optiniai sujungimai bus naudojami kompiuteriuose po trejų - penkerių metų.

Linija - laisvoji erdvė

   Kol kuriami ir tobulinami moduliai, kurie tarpusavyje jungiami šviesolaidžiais, inžinieriai numato toliau tobulinti kompiuterius, lustus jungdami ne šviesos bangolaidžiais, o tiesiog laisvąja erdve, kurioje sklinda šviesos signalas. Vadinamasis laisvosios erdvės sujungimas apie tūkstantį kartų padidintų tarp lustų perduodamus duomenų srautus. Nauda būtų dvejopa: padidėtų duomenų perdavimo sparta vienu kanalu, be to, laisvojoje erdvėje būtų galima gerokai tankiau suformuoti kanalus nei elektrinių grandinių ar planariųjų bangolaidžių atveju. Pastariesiems duomenų perdavimo kanalai formuojami į dvimates sąrankas, o ne į vienmates, kaip laidinių linijų ar optinių skaidulų atveju. Labai svarbu ir tai, kad optiniai kanalai, suformuoti toje pačioje ribotoje erdvėje, vienas kito netrikdo.

   Vieną tokią laisvosios erdvės optinę sistemą, sudarytą iš trijų lustų rinkinio (po 16 kiekvienas), sukūrė San Diego Kalifornijos universiteto profesorius Sadikas Eseneris ir jo kolegos (3 pav.). Šios sistemos 16x16 VCSE lazerių rinkinys generuoja spindulius, sklindančius oru. Vėliau jie fokusuojami į sistemą integruotais mikrolęšiais ir nukreipiami difrakcine gardele. Ši sistema - trimatė lustų, kurių kiekvienas sąveikauja su bet kuriuo kitu, visuma. Ji gali tapti galingo superkompiuterio pagrindu.

3 pav. Laisvosios erdvės optiniai jungimai.
Eksperimentinis San Diego Kalifornijos universiteto modulis yra vos 2 cm aukščio. Jis jungia CMOS lustų rinkinius. Kiekvieno rinkinio viršuje sumontuotas optinis lustas, sudarytas iš 256 VCSE lazerių ir tiek pat fotodiodų. Vieno lustų rinkinio išvadai yra diodiniai lazeriai, šviesą spinduliuojantys vertikaliai aukštyn (kairėje), kitame gale vertikalių šviesos spindulių įvadas – fotodiodai (dešinėje). Tarp abiejų galų sumontuota optinė sistema, sudaryta iš dviejų difrakcinių gardelių, lęšių ir veidrodžio. Kiekvienas iš 256 sistemos kanalų veikia 1 Gb/s sparta.

   Deja, daugumos mokslininkų nuomone, tokie laisvosios erdvės jungimai bus galimi tik tolimoje ateityje, nes jiems, palyginti su skaidulinėmis optinėmis sistemomis, reikia gerokai didesnio tikslumo šviesai nukreipti. Be to, kiekvienas, kuris matė kompiuterio viduje besikaupiančias dulkes, nesunkiai įsivaizduotų ir kitą kliūtį.

   Visgi laisvosios erdvės optinės sistemos traukia tuos inžinierius, kurie galvoja apie netradiciniu būdu kuriamas aukštos kokybės kompiuterines sistemas. Šioje srityje aktyviai dirba Šiaurės Amerikos, Japonijos ir ypač Europos mokslininkai. Minėtos sistemos yra patrauklios. Tarkime, jei jums reikia superkompiuterio, kuriuo galėtumėte spręsti įvairius uždavinius, jūs konfigūruojate savo kompiuterio lustų sistemą taip, kad ji geriausiai veiktų pasirinktu algoritmu (pvz., vaizdo duomenims apdoroti), tačiau orų prognozėms sudaryti ši programinės ir aparatinės įrangos architektūra bus jau toli gražu ne ideali. Naudodamiesi laisvos optinės erdvės sistema, galėtumėte lazerių šviesą nukreipti į reikiamus detektorius ir nustatyti kitą, konkrečiam uždaviniui tinkamą procesorių tarpusavio "bendravimo" tvarką.

   Kolorado universiteto (Boulderis) Optoelektronikos kompiuterinių sistemų centro direktorius Johnas Neffas kuria mikromechanines sistemas, kurios galėtų valdyti šviesos spindulius. Neffo eksperimentinėse sistemose mikroskopinis veidrodis iš abiejų pusių dengiamas dviejų skirtingo šiluminio plėtimosi koeficiento metalų sluoksniais. Šildomi elektros srove, šie metalai skirtingai plečiasi ir veidrodis palinksta į norimą pusę. Deja, tokia sistema yra lėta - jos didžiausias perjungimo greitis yra apie kilohercą. Tačiau naudojant ne šilumą, o elektrostatinės stūmos jėgą, veidrodėliai gali būti valdomi 10 kHz greičiu. Beje, Neffas mano, kad ir 100 kHz yra ne riba.

Realybė

   Ar bus veiksmingi optiniai sujungimai? A. Levio teigimu, daugiaprocesorinės sistemos mikroprocesoriai, pasiekę 10 GHz spartą, nebegalės sparčiai sąveikauti su atminties ir kitais kompiuterio lustais. "Kuo didesnė sparta, tuo Intel bus sunkiau iš šių procesorių sukuri veiksmingas sistemas", - sako A.Levis.

   Akivaizdu, kad Intel kol kas nelinkusi atsisakyti elektrinių sujungimų. Šios korporacijos mikroprocesorių tyrimo laboratorijos vadovo Wilfredo Pinfoldo teigimu, dar yra daugybė neišnaudotų galimybių tobulinti labai sparčių procesorių elektrines grandines.

   Šios srities inžinieriai pirmiausiai turėtų tobulinti lustų vidaus architektūrą ir plokščių schemas, kad kiek įmanoma sutrumpėtų signalų sklidimo nuotoliai. Pirmiausia lustų ir spausdintinių plokščių projektuotojai turėtų naudoti daugiau įvadų/išvadų. Intel jau dabar pasirengusi šių plokščių variniais takeliais duomenis perduoti 10 GHz sparta, o ateityje sugebėtų šią ribą "nustumti" dar mažiausiai iki 20 GHz. "Nežinome, kada baigsis elektrinių grandinių tobulinimo galimybės", - sako W. Pinfoldas. Tuo tarpu jo vadovaujama Intel laboratorija, beje, kaip ir konkurenčių - IBM, Advanced Micro Devices bei kitų - stengiasi panaudoti ir elektrinių, ir optinių sujungimų privalumus.

   Daugelį laboratorijų, atliekančių optinių sujungimų tyrimus, finansuoja Arlingtone (Vajomingo valstija) esantis JAV gynybos biuras (U.S. Defense Advanced Research Projects Agency - DARPA), kuris šiam projektui skyrė 70 mln. dol. Biuras tikisi, kad šie tyrimai padės sukurti galingas lygiagrečiąsias kompiuterines sistemas, kurios praverstų branduolinėms reakcijoms modeliuoti. Tyrimų programos koordinatorius Ravindra Athale tikisi, kad šios technologijos praverstų ir paprastiems vartotojams. Tobulėjant technologijoms, sudėtingos ir brangios kompiuterinės sistemos turės paprastėti ir pigti. Jau dabar trumpėja elektrinių grandinių ilgis. Kompiuteriai optiškai jungiami tarpusavyje. Spausdintinės plokštės bus optiškai jungiamos po kelerių metų, o lustai - greičiausiai per dešimtmetį.

   Kada į vieną lustą bus galima optiškai sujungti kelias sistemas, kol kas neaišku. Pasak A. Levio, tokiems uždaviniams spręsti dar nesukurta reikiama technologinė bazė. R. Athale pritaria minčiai, kad būtų galima atlikti tyrimus, norint išsiaiškinti, ar optiniai sujungimai lusto viduje kada nors bus reikalingi, nes kol kas galima tik spėlioti, ar toks sumanymas bus įgyvendintas.


El. p.: info@elektronika.lt