Trasmissione dati alla velocità della luce con i chip fotonici di IBM

Per la prima volta, i ricercatori IBM hanno progettato e testato un nuovo chip fotonico che presto consentirà la produzione di ricetrasmettitori ottici da 100 Gb/s. I data center potranno così beneficiare di velocità di trasmissione dei dati e larghezza di banda superiori per le applicazioni di cloud computing e Big data.
La fotonica del silicio utilizza minuscoli componenti ottici per inviare impulsi luminosi per il trasferimento di grandi volumi di dati, a velocità molto elevate, tra i chip, server, grandi data center e supercomputer, superando i limiti posti delle interconnessioni tradizionali, congestionate e dai costi elevati. Questo importante passo avanti consentirà l’integrazione di diversi componenti ottici a fianco dei circuiti elettrici su di un unico chip di silicio, utilizzando una tecnologia dei semiconduttori minore di 100 nm.
I chip basati sulla fotonica del silicio di IBM utilizzano quattro diversi colori di luce che viaggiano all’interno di una fibra ottica, anziché i tradizionali conduttori di rame, per trasmettere i dati in un sistema informatico e all’esterno. Si stima che, in appena un secondo, questo nuovo ricetrasmettitore sarà in grado di condividere digitalmente 63 milioni di tweet o sei milioni di immagini, o di scaricare un intero film digitale in alta definizione in soli due secondi.
Il settore della tecnologia sta entrando in una nuova era dell’informatica, che richiede ai sistemi IT e ai servizi di cloud computing di elaborare e analizzare enormi volumi di dati in tempo reale. Questo richiede un rapido spostamento dei dati tra i diversi componenti del sistema, senza congestione. La fotonica del silicio riduce enormemente i colli di bottiglia dei dati all’interno dei sistemi e tra i componenti informatici, migliorando i tempi di risposta.
La nuova CMOS Integrated Nano-Photonics Technology di IBM fornirà una soluzione di fotonica del silicio efficace in termini di costi, grazie all’integrazione su un unico chip di silicio di tutti i componenti fondamentali ottici ed elettrici, e delle strutture che consentono il packaging della fibra. La produzione utilizza i processi standard di produzione dei chip di silicio, rendendo questa tecnologia pronta per una immediata commercializzazione.
La tecnologia della fotonica del silicio sfrutta le proprietà uniche delle comunicazioni ottiche, che comprendono la possibilità di trasmettere dati ad alta velocità su distanze chilometriche e la capacità di sovrapporre più colori di luce (lunghezze d’onda) all’interno di un’unica fibra ottica, per moltiplicare il volume dei dati trasportati, mantenendo un basso consumo di alimentazione. La combinazione di queste caratteristiche permette il rapido movimento dei dati tra chip dei computer all’interno dei server, fra supercomputer e grandi data center.
“Rendere la tecnologia della fotonica del silicio pronta per un utilizzo commerciale diffuso aiuterà l’industria dei semiconduttori a tenere il passo con la continua crescita della domanda di potenza di calcolo, generata dai Big data e dai servizi cloud”, commenta Arvind Krishna, senior vice President e Director della Ricerca IBM. “Così come la tecnologia della fibra ottica ha rivoluzionato il settore delle telecomunicazioni velocizzando il flusso dei dati e portando enormi vantaggi ai consumatori, la sostituzione dei segnali elettrici con impulsi di luce offrirà opportunità inimmaginabili. Questa tecnologia è progettata per rendere i sistemi informatici del futuro più veloci ed efficienti dal punto di vista energetico e consentirà di acquisire elementi di conoscenza dai Big data in tempo reale”.
La fotonica del silicio trasformerà i data center del futuro
Spostando le informazioni tramite impulsi di luce attraverso fibre ottiche, le interconnessioni ottiche costituiscono parte integrante dei sistemi di calcolo contemporanei e dei dati center della prossima generazione. Utilizzando tali interconnessioni, le componenti hardware possono comunicare tra loro a velocità elevate, in modo fluido ed efficiente, sia che si trovino a distanze di centimetri o chilometri. La possibilità di creare data center in modo disaggregato e flessibile contribuirà a ridurre il costo dello spazio e dell’energia, aumentando le prestazioni e le capacità di analisi delle imprese e delle istituzioni.
La maggior parte delle soluzioni di interconnessione ottica utilizzate nei data center oggi si basa sulla tecnologia dei laser a emissione superficiale in cavità verticale (VCSEL), dove i segnali sono trasportati attraverso fibre ottiche multimodali. Le esigenze di una maggiore distanza e una maggiore velocità di trasferimento dati tra le porte, dovute ad esempio ai servizi cloud, richiedono lo sviluppo di nuove tecnologie di interconnessione, efficaci in termini di costi e capaci di superare le limitazioni larghezza di banda-distanza intrinseche nei collegamenti VCSEL multimodali.
La CMOS Integrated Nano-Photonics Technology di IBM fornisce una soluzione economica per estendere la portata e la velocità di trasferimento dati dei collegamenti ottici. Le parti fondamentali di un ricetrasmettitore ottico, sia quelle elettriche che quelle ottiche, possono essere combinate su di un singolo chip di silicio e sono progettate per poter essere prodotte utilizzando i processi standard industriali di tali chip.
I ricercatori IBM di New York e Zurigo e della Divisione IBM Systems hanno realizzato e testato un prototipo (reference design) per le interconnessioni dei datacenter con un range fino a due chilometri. Questo chip permette la ricetrasmissione di dati ad alta velocità, utilizzando quattro “colori” laser, ciascuno operante come canale ottico a 25 Gb/s indipendente. All’interno di un progetto di ricetrasmettitore completo, questi quattro canali possono essere multiplexati a lunghezza d’onda on-chip, per fornire una larghezza di banda aggregata di 100 Gb/s su fibre monomodali duplex, minimizzando così il costo dell’impianto di fibra installato all’interno del data center.
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