Erleuchtung zwischen Speicher und Prozessor

Intel hat einen Silizium-Chip mit vier integrierten Lasern vorgestellt, der optische und elektrische Signale verarbeitet. Damit können Daten zwischen Computerbauteilen fünf Mal schneller als über Kupferleitungen transportiert werden.

Der rasante Wandel der Computertechnik ist ungebrochen: Demnächst werden auch die klassischen Leiterbahnen aus Metall Glasfaser-Verbindungen weichen. „Langstrecken-Datenleitungen werden längst mit Lasern betrieben, aber im Inneren von Rechnern war das bislang nicht der Fall“, sagt Mario Paniccia, Direktor des Photonik-Labors von Intel im kalifornischen Santa Clara. „Unsere neue integrierte optische Verbindung ermöglicht nun genau das.“

Paniccias Team hat in jahrelanger Arbeit Siliziumchips perfektioniert, die optische Signale kodieren und dekodieren können. In heutigen Rechnern müssen optische Signale von speziellern Wandlern in elektrische übersetzt werden, damit die Zentrale Recheneinheit (CPU) sie verarbeiten kann. Dies verlangsamt aber den Rechner. Das neue System erhöht das Tempo, weil der Umwandlungsprozess nahtlos in einer einheitlichen Siliziumarchitektur abläuft.

Vergangene Woche haben Paniccia und seine Kollegen nun eine fertige optische Kommunikationseinheit präsentiert. Auf einem Chip werden elektronische Datensignale in Lasersignale umgewandelt, durch eine Glasfaser geschickt und in Bruchteilen von Sekunden wieder zurück in elektrische Signale verwandelt. Das System kann auf diese Weise 50 Gigabit pro Sekunde transportieren – genug, um einen Spielfilm in HD-Qualität in weniger als einer Sekunde zu übertragen.

Mit den herkömmlichen Leiterbahnen aus Kupfer sind nur Übertragungsraten von zehn Gigabit pro Sekunde möglich. Aufgrund dieser Begrenzung dürfen die Wege zwischen der CPU und dem Speicher etwa in einem Server nicht zu lang sein. Dies wiederum schränkt die möglichen Anordnungen der Computerbauteile ein.

Der neue Silizium-Photonik-Chip arbeitet mit vier Lasern. Diese Laser, die allerdings nicht aus Silizium sondern aus einer dünnen Schicht Indiumphosphid bestehen, übertragen die Daten mit Licht einer jeweils anderen Wellenlänge. Auf diese Weise können vier optische Datenströme parallel in derselben Glasfaser übertragen werden. Würde man die Anzahl der Laserelemente auf dem Chip erhöhen, wären gar Datenraten von 1000 Gigabit pro Sekunde möglich.

„Mit einem Chip, der so groß ist wie ein Fingernagel, aber ein Terabit pro Sekunde transportiert, können Sie an die Konstruktion von Rechnern ganz anders herangehen“, sagt Paniccia. „Könnte man zum Beispiel den Speicher 30 Zentimeter von den Prozessoren entfernt platzieren, wäre es machbar, jeder CPU ein komplettes eigenes Speicherboard zuzuordnen“, erläutert Paniccia. Sein Team arbeitet bereits an einem Server-Prototypen, der die neue Konstruktionsfreiheit der photonischen Verbindungen ausnutzt.

Ein größerer Abstand zwischen Speicher und CPU könnte zudem die Kühlung entlasten. Die macht heute in großen Rechnerparks die Hälfte der Betriebskosten aus.

Die Intel-Technologie könnte die Kosten auch deshalb senken helfen, weil optische Signale weniger Strom verbrauchen, sagt Keren Bergman. „In elektrischen Leitungen nimmt der Stromverbrauch mit der Länge exponentiell zu“, erläutert die Leiterin der Photonik-Gruppe an der Columbia University in New York. In optischen Fasern kommen vergleichsweise schwache Signale weiter als in elektronischen Leiterbahnen.

Bergmans Gruppe hat anhand von Leistungsmessungen am Lawrence Berkeley Lab und am Lincoln Lab des MIT simuliert, wie sich Rechner mit optischen Verbindungen verhalten. „Die Energieeffizienz ist bis zu zehnmal größer“, sagt Bergman. Die größten Effizienzgewinne gebe es bei Anwendungen, die hohe Bandbreiten benötigen, wie Bilddatenverarbeitung oder Video-Streaming.

Aber nicht nur Server dürften künftig eine innere „Erleuchtung“ erfahren. „Unser Ziel war eine kostengünstige Technologie, die wir in allen Arten von Computern nutzen können, nicht nur in den Hochleistungsrechnern von Rechenzentren“, betont Paniccia. Die Lasereinheiten des Silizium-Photonik-Systems werden genauso wie Transistoren mittels Photolithographie hergestellt. „Wir haben die Vorteile der Photonik mit der billigen Massenproduktion von Siliziumchips kombiniert“, sagt Paniccia. „Damit schreiben wir das Moore’sche Gesetz fort und bekommen gleichzeitig neue Designmöglichkeiten.“

In Laptops könnte künftig der Speicher in den Bildschirm verlagert werden. Vorstellbar sei auch, so Paniccia, dass zusätzlicher Speicher für Smart Phones in die Basisstation ausgelagert wird, um deren Leistungsfähigkeit zu steigern, wenn sie dort angedockt sind. Solche Designänderungen könnten die Wartung oder den Austausch von defekten Bauteilen erleichtern.

Um die Vorteile der optischen Rechnertechnik auszureizen, seien aber weitere Veränderungen nötig. „Es geht nicht nur darum, die elektrischen Leiterbahnen rauszureißen und durch optische Fasern zu ersetzen“, sagt Keren Bergman.

Das sieht auch Ajay Joshi so, der an der Universität Boston an solchen weitergehenden Entwicklungen arbeitet. „Wenn wir den Datenkanal zwischen der Logikeinheit und dem Speicher schneller machen, müssen wir auch die Konstruktion des Speichers überdenken“, so Joshi. Am Horizont sieht er bereits eine ganz neue Computertechnik: „Es wäre toll, wenn auch die Prozessoren selbst Daten nicht mehr elektronisch, sondern optisch verarbeiten.“ (nbo)