HardZone – Fotónica, la clave para mejorar el rendimiento de interfaces en PC

El uso de la luz para transmitir datos en vez de la electricidad no es una novedad y hace años que existe aunque en mercados muy limitados. En este artículo os explicaremos en qué consiste la implementación de la fotónica en el hardware, en qué mercados se utiliza y cuándo la veremos implementada en dispositivos de masas como el PC.

En el universo no existe nada más rápido que la luz, así que la mejor manera de transmitir datos es a través de la luz. ¿Por qué no utilizamos los fotones para hacer procesadores? Pues porque es más caro de fabricar y no escalan en cuanto a tamaño como el silicio. No obstante existe la fotónica integrada en el silicio que une los dos mundos. ¿Con que aplicaciones?

¿Qué es la fotónica en el hardware?

La fotónica en el hardware no es más que el uso de los fotones que componen la luz para la transmisión de información. Dentro de la fotónica existe la fotónica del silicio, la cual se basa en el uso del silicio para la transmisión de señales ópticas, lo que permite su implementación en circuitos integrados.

Su uso no es para crear procesadores más potentes, sino para la comunicación entre diferentes chips y por tanto en las interfaces externas entre procesadores, memorias y periféricos. Por lo que se busca es reducir el abismo en ancho de banda, la velocidad en la que se transmiten los datos, que hay entre el procesador y la memoria.

Hay que tener en cuenta que el valor que domina a la hora de transmitir datos es la energía que consumen. Precisamente la idea de utilizar la fotónica del silicio es tener también una interfaz que transmite datos a un menor coste.

Interfaces de memoria basadas en la luz

A medida que va pasando el tiempo, los nuevos tipos de memoria se diseñan para transmitir y recibir datos a un menor coste energético. Si utilizamos los datos veremos cómo los tipos de memoria más eficientes han necesitado de nuevas técnicas de empaquetado. Como es el caso de la memoria HBM.

No hay duda que las necesidades de ancho de banda siguen creciendo, en especial en la era del Big Data donde la información que se mueve es enorme. Esto significa que necesitamos anchos de banda energéticamente más eficientes. Por ejemplo en el mundo de los dispositivos PostPC no tardaremos en ver interfaces al estilo HBM, en cambio, en el otro extremo, en el mundo de los superordenadores la fotónica del silicio ya se plantea no como algo de futuro, sino de presente.

A nivel de la comunicación interna en un chip no ofrece ventaja alguna en cuanto a consumo por la transmisión de los datos. Es cuando alejamos una interfaz de comunicación de otra cuando vemos que la eficiencia del uso de interfaces basadas en la fotónica empieza a cobrar sentido por el menor consumo del ancho de banda, permitiendo la transferencia de datos por < 1 pico Julio por bit transmitido.

Por otro lado, el ancho de banda se degrada en una interfaz convencional a medida que hay más distancia con el procesador. Esto conlleva a que las memorias más allá de la RAM en la jerarquía de memoria se vean también beneficiadas por este tipo de interfaces. Imaginad por ejemplo un SSD con una velocidad de lectura propia de una RAM DDR4.

No hay ley de Moore para los pines de E/S

Continuamente nos hablan de cómo la Ley de Moore permite hacer chips más pequeños. Pues bien, eso es cierto excepto en que los pines de comunicación externos no escalan hacia abajo. Es decir, las interfaces externas siempre ocupan lo mismo, afectando con ello el tamaño de un chip si quieres un ancho de banda concreto o forzando a utilizar sistemas de empaquetado más complejos que permitan una mayor cantidad de pines.

El concepto es fácil de entender, el consumo energético crece exponencialmente si la velocidad de reloj es alta, una alta velocidad de reloj significa un voltaje alto y el crecimiento en el consumo energético es alto. La única manera es aumentar el número de pines, pero eso fuerza a construcciones complejas de construir en masa como son los circuitos integrados en 2.5D y 3D.

Es aquí donde entra la fotónica, como solución al problema de las interfaces de memoria y su escalado para poder obtener mayores anchos de banda sin aumentar el consumo medio en la transferencia de los datos.

¿Dónde se usa la fotónica a día de hoy?

A día de hoy, la fotónica de silicio se utiliza en los centros de datos para conectar sistemas que se encuentran separados a grandes distancias.

A través de transceptores ópticos en cada sistema, los cuales pueden transmitir y recibir señales. Su función es simple, convierten las señales eléctricas en señales ópticas que viajan por los cables de fibra óptica que conectan las diferentes cabinas que componen el centro de datos. Cuando el transceptor recibe los datos entonces lo convierte en una señal eléctrica que los procesadores y memorias convencionales pueden procesar y almacenar respectivamente.

Dichos transceptores ópticos tienen la capacidad de transmitir y recibir un gran volumen de datos. ¿Su principal problema? Son costosos de fabricar y aún más a escala comercial. Es por ello que los tenemos en superordenadores a día de hoy y no en los PCs en nuestras casas.

Otro mercado en el que se utilizan la fotónica de silicio es la imaginería médica para el diagnóstico. De hecho, la luz es utilizada en el diagnóstico médico. Especialmente en los microscopios y espectroscopios. A través del uso de la luz se pueden contar y visualizar células , determinar una secuencia de ADN. Por lo que la fotónica integrada en el silicio permite crear circuitos integrados pensados para el diagnóstico médico que a la misma vez tienen la capacidad de procesar esos datos a alta velocidad.

Con la fotónica integrada en el silicio, un médico de a pie podrá estudiar un tejido, una muestra de sangre, etc. Sin tener que optar a laboratorios con equipamiento de alto coste. Ya que esta tecnología permitirá la creación de microscopios inteligentes en los años siguientes, con un procesador integrado capaz de obtener información de las imágenes , procesarla y enviarla a un PC a través de una interfaz USB si es necesario.

¿Lo vamos a ver en el PC?

Integrar un transceptor óptico para reemplazar la interfaz de memoria tiene ventaja en cuanto a consumo y ancho de banda. ¿La desventaja? La encontramos en el coste a la hora de implementar estos en un procesador.

Donde sí que vamos a ver es en concentradores encargados de recibir y distribuir varias señales de alto ancho de banda al mismo tiempo. Estos concentradores se encuentran en la parte central de un sistema basado en chiplets donde la distancia entre los chips es más grande. Con el uso de interfaces ópticas se consigue solucionar el problema del consumo en las interfaces y de la degradación del ancho de banda por la distancia.

Esto es especialmente importante en sistemas que requieran comunicar varias GPUs a gran escala. Aunque por el momento primero veremos el paso a las interfaces verticales tipo 2.5DIC y 3DIC como soluciones antes de la llegada de la fotónica a gran escala.

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