IBMs neue Licht-Rechner

Mit den neuen Ergebnissen könne IBM schon viele notwendige Elemente für die optische Maschinenkommunikation zwischen Prozessor und anderen Komponenten umsetzen. Und der größte Vorteil ist, so Yurii Vlasov, auf der Semicon in Tokyo, dass dazu Standard-Herstellungsverfahren verwendet werden können. Diese teilweise extrem kleinen Komponenten werden dann über Glasfaserleitungen verbunden.

Wenn man heute das Wort Silizium Photonik hört, klingt das wie aus einem Sciencefiction-Streifen entliehen. Aber laut IBMs Forschungsbericht scheinen Anwendungsszenarien in der Praxis gar nicht mehr so weit von der Realität und vor allem von der Praxis entfernt zu sein. Geplant ist ein Exascale-Projekt. Das ist ein Rechner der die Kapazität des schnellsten Superrechners um den Faktor 1000 übertrifft.

“In drei bis fünf Jahren wird Silizium Photonik die wichtigste Technologie für diesen Leistungslevel sein.” Nach diesem Durchbruch werde es noch einmal drei Jahre dauern, bis sich auch in herkömmlichen Produkten diese Technologie durchsetzen wird, so der IBM-Forscher Solomon Assefa.

Bei IBM wird diese Technologie intern SNIPER genannt. Das steht für “Silicon Nanoscale Integrated Photonic and Electronic Transceiver”. Seit etwa zehn Jahren arbeiten Forscher an dieser Technologie. Es scheint also nicht ganz trivial zu sein, die herkömmlichen Halbleiter mit Licht kommunizieren zu lassen.

Scheinbar aber ist IBM vor Intel und Samsung, die sich ebenfalls für diese Technologie interessieren, spätestens jetzt einen Schritt voraus. Das Problem sind offenbar die Schnittstellen. Bislang waren vergleichsweise große Adapter nötig, um einzelne Komponenten zu verbinden.

Schon heute könne Big Blue Signale über einen Transceiver senden und empfangen, der rund einen halben Quadratmillimeter groß ist. Ein einzelner Transceiver mit einer Bandbreite von 1 Terabit pro Sekunde findet auf einem Chip Platz, der lediglich 16 Quadratmillimeter misst.

“Wir erwarten, dass Intel und Samsung ihre optischen Forschungen beiseite schieben und statt dessen darauf aufspringen, was IBM jetzt gezeigt hat”, kommentiert der Analyst der Envisioneering Group Richard F. Doherty.

IBM mag vielleicht Intel und Samsung voraus sein, jedoch vertreibt das Start-up Luxtera bereits Silizium-Photonik-Produkte, die bis zu 25 Gigabit pro Sekunde übertragen können. Solche Links kommen vor allem bei sehr stark beanspruchten Netzwerkverbindungen, wie zum Beispiel einem Internet-Backbone zum Einsatz. So werden auch zunächst solche Bauteile vor allem bei größeren Distanzen verwendet werden. IBMs Ziel ist es jedoch eines Tages auch die Kommunikation auf einem Prozessor über die optischen Links zu organisieren.

Der Vorteil liegt vor allem darin, dass diese Übertragungsform deutlich weniger Energie verbraucht als herkömmliche Leitungen. Somit lassen sich auch größere Distanzen verlustfrei überwinden. Und schließlich können über Licht deutlich mehr Daten transportiert werden. Denn dank Wave Division Multiplexing lassen sich gleichzeitig unterschiedliche Signale über verschiedene Wellenlängen senden.

Der Nachteil ist jedoch nach wie vor der hohe Preis für die optischen Komponenten. Sollte IBM recht behalten, könnten die Kapazitäten aus der Chipproduktion einfach für die optischen Bauteile verwendet werden, was die Herstellungskosten natürlich wiederum eindämmen würde.

Stand heute hat IBM einen Prozessor, der mit sechs optischen Links sowie sechs Transmittern und Receivern versehen ist. Jeder dieser Links kann dank der Multiplexing-Technologie wiederum acht Datenkanäle unterhalten. Ein Modulator steuert die Laser für die Datenübertragung. Jeder Modulator schafft 20 Gigabit pro Sekunde. Zusammen erreicht IBM auf diese Weise die Übertragung von einem Terabit pro Sekunde. Bandbreite genug, um innerhalb einer Sekunde die Daten von 26 DVDs zu übertragen.

Doch damit ist IBM noch nicht am Ziel: Am Ende der Forschung soll ein Modul stehen, dass einen Prozessor, optische Datenlinks und auch Arbeitsspeicher umfasst.

Derzeit sind es weniger die Prozessoren, die in modernen Rechnern an ihre Leistungsgrenzen stoßen, sondern die Übertragungswege zwischen den einzelnen Komponenten eines Rechners. “Das Problem ist, dass die Prozessoren nicht schnell genug mit einander sprechen können”, erklärt Asseva.

Dabei werde eine Menge Energie verbraucht. “Wer es heute schafft, die Prozessoren schneller miteinander sprechen zu lassen, schafft es auch, schnellere Rechner zu bauen”, erklärt Asseva. Wenn die optischen Verbindungen sich jetzt noch wie ein herkömmlicher Chip herstellen lassen, dann sinken die Kosten und die Technologie ist bereit für den Mainstream.