光速计算（Computing at the Speed of Light）

这是MIT技术评论中的一篇文章。请读者关注这项可能对未来计算将产生重大影响和变革的创新技术的发展，其原型已经达到“足以在1秒钟之内传输一部完整的高清电影”的水平，该技术无论对计算系统的架构、节能的绿色计算以及缓解困扰业界多年的I/O瓶颈问题而言都具有特别的意义。

                                       ---- 中南大学高性能计算中心 2010年8月12日

 

       未来，速度更快、效率更高的光纤将取代连接计算机各部件的金属电缆。光纤技术的发展有望引领计算领域的飞速变革。
        “长距离通信要靠激光器才能实现。但激光器过去一直无法整合到设备里。”位于加州圣塔克莱拉市的英特尔公司光子学技术实验室负责人马里奥•潘尼西亚（Mario Paniccia）表示，“我们新研发的集成光纤可以实现这一点。”
        潘尼西亚的研发团队对微型硅芯片做了优化，使其能够编码或解码通过光纤传输的激光信号。目前，当数据通过光纤连接到达一台计算机时，这些数据必须通过一个单独的光学元件转换到电子电路中。这种新技术可使此过程在硅芯片中完成，将大大提高数据传输效率。

                                                        
   
        看到光：此电路板中心的芯片中有四个激光器，能够将电信号转化成光脉冲。在光纤中光脉冲会飞速传播。（来自英特尔）

 
        上周，研发人员展示了第一个完整的光子通信系统，该系统中的所有组件都完全整合在硅芯片中。电子数据进入芯片后会被转化为激光信号通过光纤传输到终端，在终端被再次转换成电子数据，这一过程仅持续不到1秒钟。此系统的传输速率为每秒50千兆，足以在1秒钟之内传输一部完整的高清电影。
        硅光子芯片可代替计算机主要部件如处理器和存储器之间的电子连接。铜缆传输数据的速度仅为每秒钟10千兆。这意味着，在一台服务器中，中央处理器和存储器这两种重要部件之间的距离不能过远。这一点限制了计算机的架构方式。
        英特尔研发出的这种发射器芯片集成了4个激光器，它们将数据转化成不同波长或“颜色”的光信号，在一条光纤中独立传输。若在芯片中集成更多的激光器，那么传输速度将可达到每秒1000千兆。
        “传输速度达每秒兆兆位、只有指甲盖大小的芯片会改变我们的设计理念。” 潘尼西亚说到。谷歌、微软和Facebook等网络巨头操控着规模庞大的数据中心，而小小的芯片则可能让这些数据中心改头换面。“现今的数据中心像是一摊堆在一起的铜——限制着服务器各部件的架构方式。” 潘尼西亚说。
        “若能将存储器放在离处理器一英尺开外的位置，我就能为一个单独的中央处理器配置一个内存板，” 潘尼西亚说，其团队正在对服务器原型做实验，期望解决如何在服务器里搭建光纤通道。
        在一台服务器中，将存储器移至离中央处理器较远的距离也会使简化通风措施。运行一个数据中心，如Facebook社交网络服务或银行记录，大约一半的成本都花费在冷却系统上。因此，服务器内各部件之间的距离对成本方面影响巨大。
        光纤传输所消耗的能量比电缆低，这也可能降低数据中心的成本，哥伦比亚大学硅光子学研究组的负责人凯伦•伯格曼（Keren Bergman）表示。“电缆传输时，传输距离越远，能量消耗越大，且其消耗增长可能呈指数级。”她说。光纤传输信号需要的能量不高，却能传输得更快更远。伯格曼的研究组利用劳伦斯-伯克利国家实验室和麻省理工林肯实验室的计算机的运行数据，模拟了光纤连接的系统之间如何运行。“在能效方面，将有巨大收获。”最大的收获在于高带宽图像处理和视频流方面的应用程序上。
        未来，集成激光技术将扩展到其他领域。“我们在研发过程中也致力于降低此技术的成本，这样该技术才可能应用到所有领域，而不局限于高性能计算或数据中心。”潘尼西亚说。英特尔系统内各组件包括激光器的制造，与大批量生产计算机芯片的制造方法相同，使用了硅刻技术。“我们扩展了摩尔定律，将光与硅的低成本、高容量和延展性结合起来，获益良多。在笔记本方面，这一技术将引导工业设计方面的创新。我们能把存储器放到显示器里，这样一切都会随之改变。”
        利用这种技术，不打开设备也能为其添置新组件，且核心部件也可安装在设备外围。如，将备份存储器安装在笔记本或智能手机内，提高移动设备的计算能力。
        然而，若将光纤应用到计算机的各个领域，那么通过光纤连接在一起的各种部件也将面临改革。“淘汰电缆，全部换成光纤？可没那么简单。”伯格曼说。
        波士顿大学的副教授阿贾•伊乔希（Ajay Joshi）也在研究光纤做通道的高性能计算机的新架构方法。他说，“若我们加快逻辑（处理器）和内存之间的速度，我们将需要重新考虑存储器的设计方法。”
        处理器和光纤之间的速度差距较以往有所减小，但这种差距也可能会改变。“我们将会考虑让处理器的速度也达到光速。” 伊乔希说。