eng
Выпуск #1/2009
В.Никитин, Э.Семенов, А.Ломанов, А.Гусаров.
Смартлинки – умные соединения
Смартлинки – умные соединения
Просмотры: 2613
Создание новых способов соединений – достаточно редкое явление в технике, а в фотонике особенно. Каждый новый способ соединений порождает большую группу устройств, использующих его. И прогресс делает очередной шаг вперед. Технология интеллектуальных многоканальных оптоволоконных соединений (ИМКС) яркий тому пример. На базе умных соединений становится возможным создание электронной техники, обладающей свойствами регенеративности и полиморфности, самоформирующихся компьютеров и нейроэлектронных интерфейсов.
"Тирания межсоединений" и фотоника
Недавно компания Intel анонсировала свои успехи в области кремниевой фотоники. Ее ведущие специалисты считают, что эта технология позволит совершить очередную компьютерную революцию на пути к эре тера-вычислений. В компании сравнивают значимость кремниевой фотоники с изобретением интегральных схем [1]. И это действительно так. В начале 21 века в электронике обострилась серьезная техническая проблема, которую называют "тиранией межсоединений". Она актуальна и для разработчиков микросхем, и для создателей суперкомпьютеров. Все плоды миниатюризации стали съедать межсоединения.
Для разработчиков чипов "тирания межсоединений" сводится к тому, что из них становится все труднее и труднее выводить информацию. Посмотрите на кристалл любого современного процессора. Вся его монтажная поверхность полностью используется под контакты. Но для систем с сотнями миллионов транзисторов одной-двух тысяч выводов уже явно недостаточно. Фактически достигнут предел пропускной способности электрических средств ввода-вывода в микросхемах [2, 3].
Аналогичная ситуация и у проектировщиков суперкомпьютеров. Количество установленных процессоров в суперкластерах достигает сотен тысяч штук. Это позволяло наращивать производительность машин, но породило невообразимые сложности в их архитектуре. Соединять быстро возрастающее количество процессоров становится все труднее и труднее. Развитие многопроцессорных суперкомпьютеров уже подошло к критическому пределу. В новейших разработках производительность пытаются увеличить не столько за счет количества процессоров, сколько за счет роста их единичной мощности [4].
В истории техники так бывает. Например, в середине прошлого века винтовая авиация подошла к технологическому барьеру, который не позволял увеличить скорость самолетов выше скорости звука. Как ни увеличивали мощность двигателей, как ни изменяли форму винта, скорость не росла. И лишь с появлением реактивного двигателя, использовавшего новый принцип создания тяги, удалось сразу достичь, а затем и многократно превзойти скорость звука.
Поэтому важнейшая технологическая проблема современной электроники заключается в том, чтобы найти принципиально новый способ соединений, позволяющий легко выводить из микросхем десятки тысяч каналов и соединять в суперкомпьютерах миллионы процессоров. Ведущие производители фотоники уже подключились к этой гонке. Свой вклад вносит и Россия, где запатентована технология ИМКС (интеллектуальных многоканальных оптоволоконных соединений), позволяющая совершить прорыв в области многоканальных оптических коммутаций (патент Российской Федерации № 2270493).
Оптоволоконные смартлинки – умные соединения
Соединения, реализующие технологию ИМКС (рис.1), можно назвать умными соединениями или смартлинками (от английского smartlink). Создание новых способов соединений – достаточно редкое явление в технике, а в фотонике особенно. Каждый новый способ соединений порождает большую группу новых устройств, использующих этот способ. Технология ИМКС яркий тому пример. На базе умных соединений становится возможным создание электронной техники, обладающей свойствами регенеративности и полиморфности.
С помощью смартлинков сложнейшие электронные устройства можно соединять произвольным образом – "как получится". Процессор, обслуживающий соединение, переключит все каналы "как надо". Смартлинк (рис.2) состоит из передатчика оптошины и приемника, соединенных оптошиной (см. рис.1). "Умом" смартлинка является процессор, управляющий соединением с помощью коммутатора. Основой передатчика является VCSEL-матрица, т. е. матрица вертикально излучающих лазеров. В качестве оптошины в смартлинках используются оптоволоконные жгуты. Обычно это тонкая трубка, в которой находятся десятки тысяч оптических волокон диаметром от 10 до 50 мкм. На каждый канал связи может приходиться группа волокон (от 4 до 100).
В одноволоконных системах огромное значение имеет числовая апертура, т. е. свойство волокна собирать лучи света. В волокне могут распространяться только те лучи, которые инжектируются в него под углами больше критического. В пучке одномодовых волокон апертура не имеет особенного значения. Вследствие избыточности свет будет передан по жгуту при любых смещениях, лишь бы совпадали рабочие области матриц и жгута. Это хорошо видно на рис.3. Приемником информации в смартлинках является матрица фотодиодов с прямым доступом. Чтобы устройство работало, фотодиодов должно быть больше, чем лазеров в передающей матрице.
Работает смартлинк следующим образом. На входы VCSEL-матрицы, расположенной в микросхеме – источнике информации, подают электрические импульсы, которые модулируют излучение лазеров. Это излучение по оптошине поступает к матрице фотодиодов, расположенной в приемнике информации, и преобразуется в поток электрических импульсов. Каждый фотодиод подключен к управляемому процессором коммутатору.
При соединении оптошину подключают к матрицам передатчика и приемника "как получится", совмещая лишь оптические области матриц и оптошины. Поэтому на входы матрицы-приемника сигналы от лазеров поступают в перепутанном порядке. Чтобы получить нужный порядок подключения шины, процессор в начале работы устройства соединяется с матрицей передатчика, и по особой процедуре проводит распознание каналов. С помощью коммутатора распознанные каналы связи переподключаются на выход коммутатора в заданном порядке. Неработоспособные и дублирующие каналы отключаются. Важно, что процедура распознания каналов и переподключения производится однократно и никак не влияет на скорость передачи информации в дальнейшем.
Если работа смартлинка нарушается, он может проводить повторные распознания каналов. Таким образом, реализуется свойство самовосстановления или регенерации. Если в процессе работы потребуется изменить порядок подключения шины, процессор с помощью коммутатора может сделать это очень быстро. Так реализуется свойство полиморфности. Смартлинки решают проблему "тирании соединений" в микроэлектронике. Они позволят выводить из кристаллов десятки тысяч высокоскоростных оптоволоконных линий связи. (Положительное решение № 2007108476/09 от 21.08.2008 г. на выдачу патента РФ на изобретение).
Обладая компактностью при большом числе каналов, смартлинки будут лидировать в скорости передачи информации. Например, используя всего лишь 64-лазерную VCSEL-матрицу с частотой модуляции лазеров до 20 Гбит/с, можно в перспективе получить смартлинк с оптошиной диаметром в 1 мм и фантастической производительностью – 1,28 Тбит/с. Вследствие своих преимуществ технология ИМКС должна оказать значительное влияние на развитие суперкомпьютеров и дать сильнейший импульс развитию биокибернетики.
Смартлинки вместо печатных плат
Отечественные разработки систем с оптическими связями проводились еще в 80-х годах. Активные исследования в этой области продолжаются и сейчас [5]. Разрабатываются технологии оптических канальных волноводов на печатных платах и непосредственно на кремниевых пластинах [6]. Но реальное применение в суперкомпьютерах нашли только многоканальные оптоволоконные кабели. Несмотря на попытки миниатюризации, разъемы таких кабелей по размерам и цене многократно уступают разъемам обычных электрических соединений.
Разработка печатных плат с оптическими связями между микросхемами пока еще встречает большие трудности. Например, в печатных платах IBM используются многомодовые полимерные волноводы сечением 50×50 мкм и затуханием 0,05 дБ/см. При этом лучи света распространяются в плоскости платы, а сами приемники и передатчики расположены вне платы, и их приемные поверхности тоже параллельны плоскости платы. Поэтому возникает необходимость поворота на 90 градусов либо луча, либо передатчиков и фотодетекторов. При этом нужно обеспечить точную юстировку элементов, что ужесточает требования к технологическим допускам до неприемлемых величин. Проблемы можно решить с помощью новых способов монтажа, которые адаптивно компенсируют технологические допуски и температурные деформации. Компания IBM разрабатывает такие технологии, но из стадии опытных образцов они пока еще не вышли.
Компания Intel планирует реализовать технологию кремниевой фотоники путем создания всех необходимых элементов на одной кремниевой пластине. При этом мегамикросхема будет содержать: лазерные матрицы, модуляторы потока фотонов, оптические волноводы, мультиплексоры для объединения или разделения световых сигналов, демодуляторы потоков фотонов, электронные схемы управления компонентами, корпуса с оптическими соединениями.
В цитируемом, по сообщению [1] пресс-службы компании Intel, списке компонентов соединения присутствуют такие элементы, как "мультиплексор для объединения или разделения световых сигналов" и "электронные схемы управления компонентами". Структура соединений компании Intel по этим признакам очень близка к российским смартлинкам по патенту Российской Федерации № 2270493 и положительному решению на выдачу патента РФ № 2007108476/09 от 21.08.2008 г. Еще в 2005 году на конференции по венчурному предпринимательству автор патента на технологию ИМКС показал его высокопоставленному представителю российского филиала компании Intel. И вот опять повторилась историческая традиция. Intel находится на финишной прямой, а мы еще только доказываем перспективность технологии ИМКС.
А в лаборатории Photonics Technology Lab уже доказано, что все компоненты фотоники можно производить на базе имеющихся у корпорации кремниевых технологий. Созданы модуляторы и демодуляторы, работающие с рекордной скоростью 40 Гбит/с. Исследования перешли от стадии научных и технологических разработок к этапу создания коммерческой продукции. Выдающиеся достижения Intel отмечены престижным изданием Nature. В 2007 году корпорация была удостоена награды EE Times ACE Award за самую перспективную новую технологию [1]. Корпорация не публикует подробностей, но в статье [6] другого разработчика имеется фотография кремниевой пластины, содержащей микросхемы, соединенные полимерными световодами.
По данным [7], в России аналогичные исследования ведутся в рамках ФЦП "Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники" на 2008–2015 годы. В частности, выполняется НИР, "направленная на реализацию технических характеристик трехмерных оптикоэлектронных гибридных микросхем (3D ОЭ ГИМС)", в которых должно быть от двух до восьми монтируемых интегральных матриц и от 128 до 512 оптических каналов ввода-вывода информации. Работы начались в 2008 году. О результатах пока не сообщается, но не следует забывать, что российские изобретатели всегда отличались оригинальностью своих решений.
Следует особо отметить, что при проектировании сложных многоядерных электронных приборов смартлинки представляют собой перспективную альтернативу печатным платам. Причем не только платам с оптическими связями, но и обычным многослойным печатным платам с электрической разводкой.
Приемные и излучающие матрицы смартлинков могут либо встраиваться в кристалл гибридными методами, либо формироваться непосредственно на пластине, как это делает корпорация Intel. Для соединения отдельных блоков микросхем можно использовать внешние смартлинки, которые могут располагаться как угодно вне самого кристалла. Такой тип монтажа дает очень высокую гибкость и простоту осуществления соединений. Самое главное – не требуется юстировки и точности при осуществлении соединения. Достаточно просто совместить матрицы с оптошинами. Об остальном позаботится процессор. Автоматы, подобные сборочным машинам для комплектации печатных плат, могут быстро вставлять оптошины в оптические разъемы. При этом смартлинки могут применяться как для межкристальных, так и для межплатных соединений.
Смартлинки похожи на одноволоконные оптические соединения в микросхемах, которые критикуют за невозможность производства групповыми методами и за низкую надежность монтажа. Но, в отличие от них, смартлинки не требуют юстировки, способны к регенерации и обладают полиморфизмом. Более того, смартлинки создают не один, а сразу десятки и сотни оптоволоконных каналов связи, что при производительности в 20–40 гигабайт на канал в будущем может давать соединения терабайтной производительности. Это качественно меняет дело, когда речь заходит о соединении функциональных ядер многопроцессорных систем для суперкомпьютеров. Смартлинки особенно хорошо подходят для однонаправленных интерфейсов, перспективность которых подтверждается эволюцией. Как известно, все биологические вычислительные системы построены на однонаправленных интерфейсах. Например, все связи нейронов в мозге однонаправленные. Синапсы поставляют информацию в нейроны, а аксоны направляют импульсы в другие нейроструктуры. Все живые существа принимают информацию одними органами чувств, а передают ее с помощью звуков или жестов другими органами. Ничего эффективнее природа не придумала. Поэтому и перспективные вычислительные системы, видимо, нужно строить на однонаправленных интерфейсах.
Разнообразие схем ввода-вывода, которые можно построить в микросхемах с использованием технологии ИМКС, показано на рис.4. Это параллельные, разветвляющиеся и сходящиеся, одно- и многоматричные комбинации, пригодные для построения древовидных, матричных, сетевых и всевозможных других архитектур соединений. Из них можно строить параллельные и последовательные шины, нейронные сети и матрицы, но, самое главное, необыкновенно гибкие и высокопроизводительные древовидные структуры ввода-вывода.
Идеи создания "субсистем на целых пластинах" известны давно [8]. Но они длительное время не реализовывались. Вначале была мала вероятность выхода годных. Затем развитию технологии препятствовала проблема межсоединений. Использование смартлинков позволяет достичь впечатляющих результатов в этой области. Например, на пластине диаметром 305 мм можно сформировать массив из десятков или даже сотен процессоров, связанных с матрицами смартлинков. Передающие матрицы в пластине можно сформировать непосредственно на материале самой пластины, используя современные технологии светоизлучающего кремния, а можно интегрировать отдельно изготовленные массивы с помощью гибридных технологий.
В таком блоке процессоров все межпроцессорные связи можно осуществить с помощью небольших внешних оптошин, как это показано на рис.5 и 6. При этом можно реализовать самые разнообразные архитектуры построения вычислительных систем. Соединение процессоров оптошинами легко поддается автоматизации с помощью сборочных машин. При необходимости сборку можно залить полимерным фиксатором.
Если удастся создать термостойкие гибридные пластины, то их вообще не придется скрайбировать и разделять на кристаллы. Можно будет целиком приклеивать по две пластины к охлаждающим поверхностям несущих плат, как показано на рисунке 5. Получится двухсторонняя многоядерная охлаждаемая плата. При производстве таких плат не потребуется корпусирования кристаллов, не нужно будет промежуточных печатных плат и пайки. Тем самым существенно удешевится производство суперкомпьютеров и значительно сократятся их габариты. Для охлаждения процессоров и матриц в таких платах можно будет использовать фреоновое холодильное оборудование, которое позволит в несколько раз поднять допустимую тепловую нагрузку на кристаллы.
Матрицы смартлинков можно встраивать и в гигавентильные ПЛИСы, и в большие системы на кристалле. Тогда для их соединения тоже не потребуется сложных плат. Таким образом, применение смартлинков может быть эффективней двухмерных печатных плат с оптическими связями.
Самоформирующиеся компьютеры
Смартлинки пригодны для автоматизированной сборки. Этим они открывают перспективное направление в создании самоформирующихся компьютеров (СФК). Компьютеры-роботы могут оснащаться манипуляторами и строить сами себя. Человеческая рука не будет прикасаться к "железу".
В случае поломки компьютер сам найдет и заменит неисправную плату.
В СФК манипуляторами управляет формирующий блок (рис.7). Межстоечный манипулятор извлекает из библиотеки плату и, переместившись к нужной стойке, передает ее стоечному манипулятору. Аналогично передаются и оптические шины. Получив плату и набор шин, стоечный манипулятор устанавливает плату в стойку и соединяет ее с другими платами. При этом система охлаждения платы автоматически соединяется с системой охлаждения СФК. Соединения стоек между собой осуществляет межстоечный манипулятор с помощью других оптошин. Эти шины могут прокладываться вообще по всему свободному объему СФК по принципу "как получится". Так как процесс протекает полностью автоматически, то постоянного доступа операторов в межстоечное пространство не требуется. Таким образом, используя формирующий блок, управляющий манипуляторами, суперкомпьютер осуществляет самоформирование по заданной программе.
Уникальная гибкость СФК позволяет осуществить идеологию соединений "любой с любым нужным". При этом могут реализовываться магистрали, шины, локальные и общие сети, массивы, расширяющиеся и сходящиеся древовидные структуры. Связи могут быть как постоянными, так и временными. Динамичная архитектура соединений СФК может следовать логике полиморфности, т. е. может непрерывно изменяться в ходе работы, приспосабливаясь к решению конкретных задач.
Включение манипуляторов и библиотек элементов в состав компьютеров придает им совершенно новые качества – делает их исключительно устойчивыми к внешним воздействиям, дает им возможность саморазвития, самосовершенствования и даже, в какой-то первичной степени, возможность эволюции, когда они начнут разрабатывать новые микросхемы сами для себя. Программа сможет влиять на архитектуру, а архитектура на программу! Такая связь таит в себе колоссальные возможности развития и самосовершенствования.
Оптоволоконные нейроинтерфейсы
Смартлинки как нельзя лучше подходят для создания нейроэлектронных интерфейсов. Нервы высокоорганизованных живых существ состоят из множества передающих волокон. В берцовом нерве человека насчитывается более 50 тысяч нервных волокон, а в спинном мозге (весьма условно) до десяти миллионов! Смартлинки позволяют соединить десятки и сотни тысяч каналов одним разъемом, который может иметь сечения, совпадающие с размерами нервов. Нейроэлектронный оптоволоконный интерфейс для передачи информации в мозг (патент РФ № 2327202) представляет собой пучок оптических аксонов, размещенных в общей оболочке.
В процессе вживления имплантата оптоаксоны распределяются в нейроструктуре. При соответствующей тренировке нейроны будут образовывать с оптоаксонами синаптические связи так же, как это происходит при обучении людей новым навыкам.
Основным элементом оптоаксона служит световод диаметром 5–10 мкм (рис.8). На его торце размещена наноструктура, содержащая миниатюрный фотоэлемент и разрядник, покрытые слоем резистивного вещества, а затем слоем диэлектрика толщиной 5–10 нм. Световой импульс от передающей матрицы смартлинка проходит через световод и, попадая на слой фотоактивного вещества (например, аморфного кремния), преобразуется в электрический импульс, заряжая наноструктуру до определенного потенциала. Возникший переносный внеклеточный потенциал через слои диэлектрика и межклеточную жидкость действует на мембраны синапсов нейронов, поляризуя их. Это заставляет открываться и закрываться ионные каналы, управляемые чувствительными к электрическому полю белками, реализуя принцип поляризационной связи [9]. После окончания действия светового импульса наноструктура разряжается через область резистивного вещества. Оптоволоконные нейроинтерфейсы могут использоваться при протезировании органов зрения и слуха, реабилитации парализованных больных, лечении серьезных психических заболеваний.
Для передачи информации из мозга в электронные структуры разработаны принимающие нейроинтерфейсы (патент РФ № 2333526, http://www.fips.ru/russite ). В них по оптоволоконным световодам свет передается к нейронной структуре, модулируется в зависимости от активности ближайшего нейрона и отражается обратно в комбинированную матрицу, где преобразуется в электрическую форму (рис.9). Эти интерфейсы могут использоваться для управления протезами и технологическими средствами, транспортом и оружием. На их основе будут созданы удобные и внешне невидимые технические средства связи и управления.
Разработка и внедрение имплантируемой электроники позволят улучшить жизнь людей еще сильнее, чем телевидение и интернет. Нейроинтерфейсы объединят уникальный феномен мышления людей с мощностью и скоростью электронных машин. Глобальные информационные сети постепенно превратятся в гигантские мыслящие биоэлектронные нейросети, обладающие таким могучим интеллектом, который сейчас трудно даже представить. Мировой рынок имплантируемой электроники только формируется. Но емкость его очень быстро вырастет до миллиардов долларов.
За все приходится платить.
Но есть ли выбор?
Рассказывая о достоинствах смартлинков, попытаемся быть объективными. Все преимущества смартлинков и технологии ИМКС базируются, прежде всего, на аппаратной избыточности, а это своего рода недостаток. Для реализации ИМКС необходимо избыточное количество оптических волокон, избыточное количество фотоприемников, нужны коммутаторы и процессоры. Они будут занимать место на кристалле, которое раньше занимали межсоединения. Тем не менее, миниатюризация элементов микросхем, освоившая нанометровый диапазон размеров, продолжается. Она быстро сведет этот недостаток к минимуму, а преимущества умных соединений останутся!
Чтобы сделать очередной шаг вперед и научиться создавать нейроинтерфейсы, имплантируемую электронику и, в конечном итоге, киборгов, нужно научиться создавать надежные многоканальные соединения с количеством связей на уровне десятков и сотен тысяч. Первым шагом в решении этой проблемы стала разработка технологии ИМКС. Возможно, появятся другие технологии. Но пока их нет – нужно разрабатывать то, что есть. Так что большого выбора нет. Сама природа за миллиарды лет эволюции не придумала ничего лучше избыточности. Избыточность смартлинков – необходимая, но не очень высокая плата за надежность, полиморфность, регенеративность и, самое главное, за высокую плотность оптических соединений, не достижимую больше никакими другими средствами.
К сожалению, в нашей стране технологии ИМКС пока еще не находят своих потребителей. И происходит это во многом вследствие отсутствия популярной информации. Этой статьей мы надеемся частично исправить ситуацию.
В кризисный период технологии ИМКС дают разработчикам шанс совершить технологический скачок. Они открывают зарождающиеся рынки имплантируемой и полиморфной электроники, которые могут дать новый импульс развитию электронной промышленности. А значит, нам нужно "запрягать" быстрее. Кто не успеет, тот опять опоздает! Опытный образец смартлинка будет готов в этом году, для него уже созданы лазерная и приемная матрицы фотодиодов.
Литература
1. Пресс-служба корпорации Intel. Кремниевая фотоника: из лаборатории в производство. Мир компьютерной автоматизации. http://www.mka.ru/?p=48237&PHPSESSID=0789fdf0a928cd48a6cd66c432841f08#
2. Федотов Я.А. Проблемы интегральной электроники. – Электронные компоненты, 2004 г., ноябрь.
3. Бубенников А.Н., Бубенников А.А. Технологические проблемы создания субмикронных нейрочипов и нейросистем на пластинах. – Инженерное образование, 2004 г., октябрь.
4. Международный рейтинг "500 лучших суперкомпьютеров", http://www.top500.org/
5. Ахманов А.С., Наний О.Е., Панченко В.Я. Оптическая передача информации в супер-ЭВМ и микропроцессорных системах. –LIGHTWAVE/Rusian edition, 2008г., № 3. (http://www.lightwave-russia.com/2008-3.shtml)
6. Ray T. Chen, Bing Li, James J. Foshee, et al. Polymer-based optical waveguide devices speed connections. – Laserfocusworld. 2000г., №8. (http://www.laserfocusworld.com/display_article/80146/12/none/none/Feat/Polymer-based-optical-waveguide-devices-speed-connections)
7. Официальный сайт Российской Федерации для размещения информации о размещении заказов (http://www.zakupki.gov.ru/Tender/ViewPurchase.aspx?PurchaseId=113672&TS=1)
8. Валиев К.А. Микроэлектроника: достижения и пути развития. – М.: Наука. Сер. Проблемы науки и технического прогресса, 1986.
9. Max Planck Institute of Biochemistry in Martinsried, Department of Membrane and Neurophysics: обзор "Neuroelectronic Interfacing" http://www.biochem.mpg.de/mnphys/publications
Недавно компания Intel анонсировала свои успехи в области кремниевой фотоники. Ее ведущие специалисты считают, что эта технология позволит совершить очередную компьютерную революцию на пути к эре тера-вычислений. В компании сравнивают значимость кремниевой фотоники с изобретением интегральных схем [1]. И это действительно так. В начале 21 века в электронике обострилась серьезная техническая проблема, которую называют "тиранией межсоединений". Она актуальна и для разработчиков микросхем, и для создателей суперкомпьютеров. Все плоды миниатюризации стали съедать межсоединения.
Для разработчиков чипов "тирания межсоединений" сводится к тому, что из них становится все труднее и труднее выводить информацию. Посмотрите на кристалл любого современного процессора. Вся его монтажная поверхность полностью используется под контакты. Но для систем с сотнями миллионов транзисторов одной-двух тысяч выводов уже явно недостаточно. Фактически достигнут предел пропускной способности электрических средств ввода-вывода в микросхемах [2, 3].
Аналогичная ситуация и у проектировщиков суперкомпьютеров. Количество установленных процессоров в суперкластерах достигает сотен тысяч штук. Это позволяло наращивать производительность машин, но породило невообразимые сложности в их архитектуре. Соединять быстро возрастающее количество процессоров становится все труднее и труднее. Развитие многопроцессорных суперкомпьютеров уже подошло к критическому пределу. В новейших разработках производительность пытаются увеличить не столько за счет количества процессоров, сколько за счет роста их единичной мощности [4].
В истории техники так бывает. Например, в середине прошлого века винтовая авиация подошла к технологическому барьеру, который не позволял увеличить скорость самолетов выше скорости звука. Как ни увеличивали мощность двигателей, как ни изменяли форму винта, скорость не росла. И лишь с появлением реактивного двигателя, использовавшего новый принцип создания тяги, удалось сразу достичь, а затем и многократно превзойти скорость звука.
Поэтому важнейшая технологическая проблема современной электроники заключается в том, чтобы найти принципиально новый способ соединений, позволяющий легко выводить из микросхем десятки тысяч каналов и соединять в суперкомпьютерах миллионы процессоров. Ведущие производители фотоники уже подключились к этой гонке. Свой вклад вносит и Россия, где запатентована технология ИМКС (интеллектуальных многоканальных оптоволоконных соединений), позволяющая совершить прорыв в области многоканальных оптических коммутаций (патент Российской Федерации № 2270493).
Оптоволоконные смартлинки – умные соединения
Соединения, реализующие технологию ИМКС (рис.1), можно назвать умными соединениями или смартлинками (от английского smartlink). Создание новых способов соединений – достаточно редкое явление в технике, а в фотонике особенно. Каждый новый способ соединений порождает большую группу новых устройств, использующих этот способ. Технология ИМКС яркий тому пример. На базе умных соединений становится возможным создание электронной техники, обладающей свойствами регенеративности и полиморфности.
С помощью смартлинков сложнейшие электронные устройства можно соединять произвольным образом – "как получится". Процессор, обслуживающий соединение, переключит все каналы "как надо". Смартлинк (рис.2) состоит из передатчика оптошины и приемника, соединенных оптошиной (см. рис.1). "Умом" смартлинка является процессор, управляющий соединением с помощью коммутатора. Основой передатчика является VCSEL-матрица, т. е. матрица вертикально излучающих лазеров. В качестве оптошины в смартлинках используются оптоволоконные жгуты. Обычно это тонкая трубка, в которой находятся десятки тысяч оптических волокон диаметром от 10 до 50 мкм. На каждый канал связи может приходиться группа волокон (от 4 до 100).
В одноволоконных системах огромное значение имеет числовая апертура, т. е. свойство волокна собирать лучи света. В волокне могут распространяться только те лучи, которые инжектируются в него под углами больше критического. В пучке одномодовых волокон апертура не имеет особенного значения. Вследствие избыточности свет будет передан по жгуту при любых смещениях, лишь бы совпадали рабочие области матриц и жгута. Это хорошо видно на рис.3. Приемником информации в смартлинках является матрица фотодиодов с прямым доступом. Чтобы устройство работало, фотодиодов должно быть больше, чем лазеров в передающей матрице.
Работает смартлинк следующим образом. На входы VCSEL-матрицы, расположенной в микросхеме – источнике информации, подают электрические импульсы, которые модулируют излучение лазеров. Это излучение по оптошине поступает к матрице фотодиодов, расположенной в приемнике информации, и преобразуется в поток электрических импульсов. Каждый фотодиод подключен к управляемому процессором коммутатору.
При соединении оптошину подключают к матрицам передатчика и приемника "как получится", совмещая лишь оптические области матриц и оптошины. Поэтому на входы матрицы-приемника сигналы от лазеров поступают в перепутанном порядке. Чтобы получить нужный порядок подключения шины, процессор в начале работы устройства соединяется с матрицей передатчика, и по особой процедуре проводит распознание каналов. С помощью коммутатора распознанные каналы связи переподключаются на выход коммутатора в заданном порядке. Неработоспособные и дублирующие каналы отключаются. Важно, что процедура распознания каналов и переподключения производится однократно и никак не влияет на скорость передачи информации в дальнейшем.
Если работа смартлинка нарушается, он может проводить повторные распознания каналов. Таким образом, реализуется свойство самовосстановления или регенерации. Если в процессе работы потребуется изменить порядок подключения шины, процессор с помощью коммутатора может сделать это очень быстро. Так реализуется свойство полиморфности. Смартлинки решают проблему "тирании соединений" в микроэлектронике. Они позволят выводить из кристаллов десятки тысяч высокоскоростных оптоволоконных линий связи. (Положительное решение № 2007108476/09 от 21.08.2008 г. на выдачу патента РФ на изобретение).
Обладая компактностью при большом числе каналов, смартлинки будут лидировать в скорости передачи информации. Например, используя всего лишь 64-лазерную VCSEL-матрицу с частотой модуляции лазеров до 20 Гбит/с, можно в перспективе получить смартлинк с оптошиной диаметром в 1 мм и фантастической производительностью – 1,28 Тбит/с. Вследствие своих преимуществ технология ИМКС должна оказать значительное влияние на развитие суперкомпьютеров и дать сильнейший импульс развитию биокибернетики.
Смартлинки вместо печатных плат
Отечественные разработки систем с оптическими связями проводились еще в 80-х годах. Активные исследования в этой области продолжаются и сейчас [5]. Разрабатываются технологии оптических канальных волноводов на печатных платах и непосредственно на кремниевых пластинах [6]. Но реальное применение в суперкомпьютерах нашли только многоканальные оптоволоконные кабели. Несмотря на попытки миниатюризации, разъемы таких кабелей по размерам и цене многократно уступают разъемам обычных электрических соединений.
Разработка печатных плат с оптическими связями между микросхемами пока еще встречает большие трудности. Например, в печатных платах IBM используются многомодовые полимерные волноводы сечением 50×50 мкм и затуханием 0,05 дБ/см. При этом лучи света распространяются в плоскости платы, а сами приемники и передатчики расположены вне платы, и их приемные поверхности тоже параллельны плоскости платы. Поэтому возникает необходимость поворота на 90 градусов либо луча, либо передатчиков и фотодетекторов. При этом нужно обеспечить точную юстировку элементов, что ужесточает требования к технологическим допускам до неприемлемых величин. Проблемы можно решить с помощью новых способов монтажа, которые адаптивно компенсируют технологические допуски и температурные деформации. Компания IBM разрабатывает такие технологии, но из стадии опытных образцов они пока еще не вышли.
Компания Intel планирует реализовать технологию кремниевой фотоники путем создания всех необходимых элементов на одной кремниевой пластине. При этом мегамикросхема будет содержать: лазерные матрицы, модуляторы потока фотонов, оптические волноводы, мультиплексоры для объединения или разделения световых сигналов, демодуляторы потоков фотонов, электронные схемы управления компонентами, корпуса с оптическими соединениями.
В цитируемом, по сообщению [1] пресс-службы компании Intel, списке компонентов соединения присутствуют такие элементы, как "мультиплексор для объединения или разделения световых сигналов" и "электронные схемы управления компонентами". Структура соединений компании Intel по этим признакам очень близка к российским смартлинкам по патенту Российской Федерации № 2270493 и положительному решению на выдачу патента РФ № 2007108476/09 от 21.08.2008 г. Еще в 2005 году на конференции по венчурному предпринимательству автор патента на технологию ИМКС показал его высокопоставленному представителю российского филиала компании Intel. И вот опять повторилась историческая традиция. Intel находится на финишной прямой, а мы еще только доказываем перспективность технологии ИМКС.
А в лаборатории Photonics Technology Lab уже доказано, что все компоненты фотоники можно производить на базе имеющихся у корпорации кремниевых технологий. Созданы модуляторы и демодуляторы, работающие с рекордной скоростью 40 Гбит/с. Исследования перешли от стадии научных и технологических разработок к этапу создания коммерческой продукции. Выдающиеся достижения Intel отмечены престижным изданием Nature. В 2007 году корпорация была удостоена награды EE Times ACE Award за самую перспективную новую технологию [1]. Корпорация не публикует подробностей, но в статье [6] другого разработчика имеется фотография кремниевой пластины, содержащей микросхемы, соединенные полимерными световодами.
По данным [7], в России аналогичные исследования ведутся в рамках ФЦП "Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники" на 2008–2015 годы. В частности, выполняется НИР, "направленная на реализацию технических характеристик трехмерных оптикоэлектронных гибридных микросхем (3D ОЭ ГИМС)", в которых должно быть от двух до восьми монтируемых интегральных матриц и от 128 до 512 оптических каналов ввода-вывода информации. Работы начались в 2008 году. О результатах пока не сообщается, но не следует забывать, что российские изобретатели всегда отличались оригинальностью своих решений.
Следует особо отметить, что при проектировании сложных многоядерных электронных приборов смартлинки представляют собой перспективную альтернативу печатным платам. Причем не только платам с оптическими связями, но и обычным многослойным печатным платам с электрической разводкой.
Приемные и излучающие матрицы смартлинков могут либо встраиваться в кристалл гибридными методами, либо формироваться непосредственно на пластине, как это делает корпорация Intel. Для соединения отдельных блоков микросхем можно использовать внешние смартлинки, которые могут располагаться как угодно вне самого кристалла. Такой тип монтажа дает очень высокую гибкость и простоту осуществления соединений. Самое главное – не требуется юстировки и точности при осуществлении соединения. Достаточно просто совместить матрицы с оптошинами. Об остальном позаботится процессор. Автоматы, подобные сборочным машинам для комплектации печатных плат, могут быстро вставлять оптошины в оптические разъемы. При этом смартлинки могут применяться как для межкристальных, так и для межплатных соединений.
Смартлинки похожи на одноволоконные оптические соединения в микросхемах, которые критикуют за невозможность производства групповыми методами и за низкую надежность монтажа. Но, в отличие от них, смартлинки не требуют юстировки, способны к регенерации и обладают полиморфизмом. Более того, смартлинки создают не один, а сразу десятки и сотни оптоволоконных каналов связи, что при производительности в 20–40 гигабайт на канал в будущем может давать соединения терабайтной производительности. Это качественно меняет дело, когда речь заходит о соединении функциональных ядер многопроцессорных систем для суперкомпьютеров. Смартлинки особенно хорошо подходят для однонаправленных интерфейсов, перспективность которых подтверждается эволюцией. Как известно, все биологические вычислительные системы построены на однонаправленных интерфейсах. Например, все связи нейронов в мозге однонаправленные. Синапсы поставляют информацию в нейроны, а аксоны направляют импульсы в другие нейроструктуры. Все живые существа принимают информацию одними органами чувств, а передают ее с помощью звуков или жестов другими органами. Ничего эффективнее природа не придумала. Поэтому и перспективные вычислительные системы, видимо, нужно строить на однонаправленных интерфейсах.
Разнообразие схем ввода-вывода, которые можно построить в микросхемах с использованием технологии ИМКС, показано на рис.4. Это параллельные, разветвляющиеся и сходящиеся, одно- и многоматричные комбинации, пригодные для построения древовидных, матричных, сетевых и всевозможных других архитектур соединений. Из них можно строить параллельные и последовательные шины, нейронные сети и матрицы, но, самое главное, необыкновенно гибкие и высокопроизводительные древовидные структуры ввода-вывода.
Идеи создания "субсистем на целых пластинах" известны давно [8]. Но они длительное время не реализовывались. Вначале была мала вероятность выхода годных. Затем развитию технологии препятствовала проблема межсоединений. Использование смартлинков позволяет достичь впечатляющих результатов в этой области. Например, на пластине диаметром 305 мм можно сформировать массив из десятков или даже сотен процессоров, связанных с матрицами смартлинков. Передающие матрицы в пластине можно сформировать непосредственно на материале самой пластины, используя современные технологии светоизлучающего кремния, а можно интегрировать отдельно изготовленные массивы с помощью гибридных технологий.
В таком блоке процессоров все межпроцессорные связи можно осуществить с помощью небольших внешних оптошин, как это показано на рис.5 и 6. При этом можно реализовать самые разнообразные архитектуры построения вычислительных систем. Соединение процессоров оптошинами легко поддается автоматизации с помощью сборочных машин. При необходимости сборку можно залить полимерным фиксатором.
Если удастся создать термостойкие гибридные пластины, то их вообще не придется скрайбировать и разделять на кристаллы. Можно будет целиком приклеивать по две пластины к охлаждающим поверхностям несущих плат, как показано на рисунке 5. Получится двухсторонняя многоядерная охлаждаемая плата. При производстве таких плат не потребуется корпусирования кристаллов, не нужно будет промежуточных печатных плат и пайки. Тем самым существенно удешевится производство суперкомпьютеров и значительно сократятся их габариты. Для охлаждения процессоров и матриц в таких платах можно будет использовать фреоновое холодильное оборудование, которое позволит в несколько раз поднять допустимую тепловую нагрузку на кристаллы.
Матрицы смартлинков можно встраивать и в гигавентильные ПЛИСы, и в большие системы на кристалле. Тогда для их соединения тоже не потребуется сложных плат. Таким образом, применение смартлинков может быть эффективней двухмерных печатных плат с оптическими связями.
Самоформирующиеся компьютеры
Смартлинки пригодны для автоматизированной сборки. Этим они открывают перспективное направление в создании самоформирующихся компьютеров (СФК). Компьютеры-роботы могут оснащаться манипуляторами и строить сами себя. Человеческая рука не будет прикасаться к "железу".
В случае поломки компьютер сам найдет и заменит неисправную плату.
В СФК манипуляторами управляет формирующий блок (рис.7). Межстоечный манипулятор извлекает из библиотеки плату и, переместившись к нужной стойке, передает ее стоечному манипулятору. Аналогично передаются и оптические шины. Получив плату и набор шин, стоечный манипулятор устанавливает плату в стойку и соединяет ее с другими платами. При этом система охлаждения платы автоматически соединяется с системой охлаждения СФК. Соединения стоек между собой осуществляет межстоечный манипулятор с помощью других оптошин. Эти шины могут прокладываться вообще по всему свободному объему СФК по принципу "как получится". Так как процесс протекает полностью автоматически, то постоянного доступа операторов в межстоечное пространство не требуется. Таким образом, используя формирующий блок, управляющий манипуляторами, суперкомпьютер осуществляет самоформирование по заданной программе.
Уникальная гибкость СФК позволяет осуществить идеологию соединений "любой с любым нужным". При этом могут реализовываться магистрали, шины, локальные и общие сети, массивы, расширяющиеся и сходящиеся древовидные структуры. Связи могут быть как постоянными, так и временными. Динамичная архитектура соединений СФК может следовать логике полиморфности, т. е. может непрерывно изменяться в ходе работы, приспосабливаясь к решению конкретных задач.
Включение манипуляторов и библиотек элементов в состав компьютеров придает им совершенно новые качества – делает их исключительно устойчивыми к внешним воздействиям, дает им возможность саморазвития, самосовершенствования и даже, в какой-то первичной степени, возможность эволюции, когда они начнут разрабатывать новые микросхемы сами для себя. Программа сможет влиять на архитектуру, а архитектура на программу! Такая связь таит в себе колоссальные возможности развития и самосовершенствования.
Оптоволоконные нейроинтерфейсы
Смартлинки как нельзя лучше подходят для создания нейроэлектронных интерфейсов. Нервы высокоорганизованных живых существ состоят из множества передающих волокон. В берцовом нерве человека насчитывается более 50 тысяч нервных волокон, а в спинном мозге (весьма условно) до десяти миллионов! Смартлинки позволяют соединить десятки и сотни тысяч каналов одним разъемом, который может иметь сечения, совпадающие с размерами нервов. Нейроэлектронный оптоволоконный интерфейс для передачи информации в мозг (патент РФ № 2327202) представляет собой пучок оптических аксонов, размещенных в общей оболочке.
В процессе вживления имплантата оптоаксоны распределяются в нейроструктуре. При соответствующей тренировке нейроны будут образовывать с оптоаксонами синаптические связи так же, как это происходит при обучении людей новым навыкам.
Основным элементом оптоаксона служит световод диаметром 5–10 мкм (рис.8). На его торце размещена наноструктура, содержащая миниатюрный фотоэлемент и разрядник, покрытые слоем резистивного вещества, а затем слоем диэлектрика толщиной 5–10 нм. Световой импульс от передающей матрицы смартлинка проходит через световод и, попадая на слой фотоактивного вещества (например, аморфного кремния), преобразуется в электрический импульс, заряжая наноструктуру до определенного потенциала. Возникший переносный внеклеточный потенциал через слои диэлектрика и межклеточную жидкость действует на мембраны синапсов нейронов, поляризуя их. Это заставляет открываться и закрываться ионные каналы, управляемые чувствительными к электрическому полю белками, реализуя принцип поляризационной связи [9]. После окончания действия светового импульса наноструктура разряжается через область резистивного вещества. Оптоволоконные нейроинтерфейсы могут использоваться при протезировании органов зрения и слуха, реабилитации парализованных больных, лечении серьезных психических заболеваний.
Для передачи информации из мозга в электронные структуры разработаны принимающие нейроинтерфейсы (патент РФ № 2333526, http://www.fips.ru/russite ). В них по оптоволоконным световодам свет передается к нейронной структуре, модулируется в зависимости от активности ближайшего нейрона и отражается обратно в комбинированную матрицу, где преобразуется в электрическую форму (рис.9). Эти интерфейсы могут использоваться для управления протезами и технологическими средствами, транспортом и оружием. На их основе будут созданы удобные и внешне невидимые технические средства связи и управления.
Разработка и внедрение имплантируемой электроники позволят улучшить жизнь людей еще сильнее, чем телевидение и интернет. Нейроинтерфейсы объединят уникальный феномен мышления людей с мощностью и скоростью электронных машин. Глобальные информационные сети постепенно превратятся в гигантские мыслящие биоэлектронные нейросети, обладающие таким могучим интеллектом, который сейчас трудно даже представить. Мировой рынок имплантируемой электроники только формируется. Но емкость его очень быстро вырастет до миллиардов долларов.
За все приходится платить.
Но есть ли выбор?
Рассказывая о достоинствах смартлинков, попытаемся быть объективными. Все преимущества смартлинков и технологии ИМКС базируются, прежде всего, на аппаратной избыточности, а это своего рода недостаток. Для реализации ИМКС необходимо избыточное количество оптических волокон, избыточное количество фотоприемников, нужны коммутаторы и процессоры. Они будут занимать место на кристалле, которое раньше занимали межсоединения. Тем не менее, миниатюризация элементов микросхем, освоившая нанометровый диапазон размеров, продолжается. Она быстро сведет этот недостаток к минимуму, а преимущества умных соединений останутся!
Чтобы сделать очередной шаг вперед и научиться создавать нейроинтерфейсы, имплантируемую электронику и, в конечном итоге, киборгов, нужно научиться создавать надежные многоканальные соединения с количеством связей на уровне десятков и сотен тысяч. Первым шагом в решении этой проблемы стала разработка технологии ИМКС. Возможно, появятся другие технологии. Но пока их нет – нужно разрабатывать то, что есть. Так что большого выбора нет. Сама природа за миллиарды лет эволюции не придумала ничего лучше избыточности. Избыточность смартлинков – необходимая, но не очень высокая плата за надежность, полиморфность, регенеративность и, самое главное, за высокую плотность оптических соединений, не достижимую больше никакими другими средствами.
К сожалению, в нашей стране технологии ИМКС пока еще не находят своих потребителей. И происходит это во многом вследствие отсутствия популярной информации. Этой статьей мы надеемся частично исправить ситуацию.
В кризисный период технологии ИМКС дают разработчикам шанс совершить технологический скачок. Они открывают зарождающиеся рынки имплантируемой и полиморфной электроники, которые могут дать новый импульс развитию электронной промышленности. А значит, нам нужно "запрягать" быстрее. Кто не успеет, тот опять опоздает! Опытный образец смартлинка будет готов в этом году, для него уже созданы лазерная и приемная матрицы фотодиодов.
Литература
1. Пресс-служба корпорации Intel. Кремниевая фотоника: из лаборатории в производство. Мир компьютерной автоматизации. http://www.mka.ru/?p=48237&PHPSESSID=0789fdf0a928cd48a6cd66c432841f08#
2. Федотов Я.А. Проблемы интегральной электроники. – Электронные компоненты, 2004 г., ноябрь.
3. Бубенников А.Н., Бубенников А.А. Технологические проблемы создания субмикронных нейрочипов и нейросистем на пластинах. – Инженерное образование, 2004 г., октябрь.
4. Международный рейтинг "500 лучших суперкомпьютеров", http://www.top500.org/
5. Ахманов А.С., Наний О.Е., Панченко В.Я. Оптическая передача информации в супер-ЭВМ и микропроцессорных системах. –LIGHTWAVE/Rusian edition, 2008г., № 3. (http://www.lightwave-russia.com/2008-3.shtml)
6. Ray T. Chen, Bing Li, James J. Foshee, et al. Polymer-based optical waveguide devices speed connections. – Laserfocusworld. 2000г., №8. (http://www.laserfocusworld.com/display_article/80146/12/none/none/Feat/Polymer-based-optical-waveguide-devices-speed-connections)
7. Официальный сайт Российской Федерации для размещения информации о размещении заказов (http://www.zakupki.gov.ru/Tender/ViewPurchase.aspx?PurchaseId=113672&TS=1)
8. Валиев К.А. Микроэлектроника: достижения и пути развития. – М.: Наука. Сер. Проблемы науки и технического прогресса, 1986.
9. Max Planck Institute of Biochemistry in Martinsried, Department of Membrane and Neurophysics: обзор "Neuroelectronic Interfacing" http://www.biochem.mpg.de/mnphys/publications
Отзывы читателей
