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.