Only Perception: 奈米光子交換裝置：在晶片上路由光線

2008-03-18

奈米光子交換裝置：在晶片上路由光線

Nanophotonic switch device for routing light on a chip scale
http://www.physorg.com/news124988995.html

March 17, 2008

IBM 科學家今日藉由打造出世界最小的奈米光子交換器，其腳位（footprint）比人類頭髮截面小上 100 倍，在電腦晶片內利用光脈衝而非電子來傳送資訊上，獲得另一項重要進展。

這種交換器是在未來晶片內控制資訊流動，一種重要的基石，且能顯著加速晶片效能，卻同時使用更少的能量。

"此新發展在尋求建構一個單晶片光學網路（on-chip optical network）
中，是種關鍵的添加，" Yurii Vlasov 說，IBM TJ Watson 研究中心的矽奈米光子經理。"鑑於最近幾年在該領域所看到的進展，看來我們的單晶片光學網路願景，正變得愈來愈實際可行。"

今日的宣佈是他們在探求開發下一世代高效能多核心電腦晶片中，另一個重要的進展，在內部傳輸資訊是利用光脈衝行經矽而非銅線上的電子訊號。

在一篇發表於 Nature Photonics 期刊的論文中，IBM 揭露一個矽多頻光學交換器的開發，那是讓單晶片光學互連成真所需的另一種關鍵元件。一旦電子訊號被轉換成光脈衝，這種交換裝置在網路內部的「指揮交通」上扮演關鍵角色，確保來自於一個處理器核心的光學訊息，能有效地到達晶片上的另一個核心。

IBM 團隊證明，他們的交換器具有數種關鍵特性，讓它十分適合單晶片應用。首先，此交換器極端緊實。在 1 平方公釐的面積中可塞入 2000 個，輕易符合未來多核心處理器整合所需。

其次，該裝置能夠路由大量資料，因為許多不同的波長，或「顏色」的光，能同時交換。每種波長可乘載的資料可達 40 Gb/s，它所可能交換的聚合（aggregate）頻寬可超過 1 Tb/s -- 此為在遠距核心路由大量訊息所需。最後，但並非最後一個，IBM 科學家首度證明，他們的光學交換器能夠在現實的單晶片環境中運作，在此晶片本身「熱點」附近的溫度可能發生巨幅的改變。熱點會四處移動，端賴處理器在某一時刻所作用的方式。IBM 科學家相信，這種飄移溫度容受的運作（temperature-drift tolerant operation ），是單晶片光學網路最關鍵的需求。

微電子學產業中，一種重要的趨勢是，藉由多執行緒、藉由打造大尺度多晶片系統，以及，更接近的，藉由在單一晶片上增加核心數量，在計算中增加平行。例如，IBM Cell 處理器，那為 Sony 的 PlayStation 3 遊戲主機提供動力，那在單一晶片上包含了 9 個「大腦」，或核心。當使用者繼續要求更大的運算效能時，晶片設計者計畫增加此數量道 10 甚至數百個核心。

然而，在此途徑中如果每個核心能同時跟晶片上其他核心接收與傳輸大量訊息，這樣才有意義。位於今日多核心微處理器上的個別核心，透過屬百萬條微小銅導線彼此溝通。然而，這種銅導線只會用掉太多電力，而且無法傳輸為大量多核心處理器所需之極大量資訊。

IBM 研究者透過基於矽奈米光子 IC 中，單晶片光學網路上的光脈衝提供此問題另一種解決方案。如同長距離（long-haul）光纖網路，在單晶片光學網路上一種極端的縮小版，將在個別核心間傳輸、接收與路由訊息，那被編碼成光脈衝。展望一下，使用光而非導線，超過 100 倍以上的資訊可在核心間傳送，卻同時使用不到 10 倍的電力，也同時產生較少的熱量。（後面的開發簡史略譯。）

※ 相關報導：

＊ High-throughput silicon nanophotonic wavelength-insensitive switch for on-chip optical networks
http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/abs/nphoton.2008.31.html