IBM sviluppa lo switch nanofotonico più piccolo del mondo

Lo scorso marzo gli scienziati IBM hanno compiuto un altro significativo passo avanti per riuscire a inviare le informazioni all'interno di un chip mediante l'uso di impulsi luminosi, anziché elettroni. Hanno infatti realizzato lo switch nanofotonico più piccolo al mondo: circa 100 volte più piccolo della sezione trasversale di un capello umano.
Questo switch è un componente importante per controllare il flusso di informazioni all'interno dei chip del futuro ed è in grado di accelerarne significativamente le prestazioni, con un consumo di energia estremamente ridotto.   
L'annuncio è un altro significativo passo in avanti verso lo sviluppo di futuri chip multi-core ad alte prestazioni, che trasmettano al loro interno le informazioni utilizzando impulsi di luce  attraverso il silicio, anziché segnali elettrici su conduttori di rame.
In uno studio pubblicato sulla rivista "Nature Photonics", IBM presenta lo sviluppo di uno switch ottico a banda larga in silicio, un altro componente chiave necessario per supportare le interconnessioni ottiche on-chip. Una volta che i segnali elettrici sono stati convertiti in impulsi luminosi, questo dispositivo di commutazione svolge il ruolo chiave di "dirigere il traffico" all'interno della rete, assicurando che i messaggi ottici inviati da uno dei core del processore possano essere recapitati, in modo efficiente, a tutti gli altri core presenti sul chip.
Il team IBM ha dimostrato che questo switch possiede diverse caratteristiche essenziali che lo rendono perfettamente adatto ad essere integrato all'interno di un chip. Innanzitutto, è estremamente compatto: su una superficie di un millimetro quadrato sarebbe possibile collocarne addirittura 2000 fianco a fianco, soddisfacendo così i requisiti di integrazione per i processori multi-core del futuro.
In secondo luogo, il dispositivo è in grado di trattare un'enorme quantità di dati, dal momento che è capace di commutare simultaneamente diverse lunghezze d'onda o "colori" della luce. Dato che ogni lunghezza d'onda può trasportare fino a 40 Gb/s, è possibile commutare un'ampiezza di banda aggregata di oltre 1 Tb/, un requisito essenziale per indirizzare grandi messaggi tra core distanti. Come ultimo punto, ma non meno importante, gli scienziati IBM hanno dimostrato per la prima volta che il loro switch ottico è in grado di operare all'interno di un ambiente on-chip realistico, dove la temperatura del chip stesso può variare enormemente per la vicinanza di "hot spot", che si possono spostare a seconda del modo in cui funzionano i processori in un dato momento. I ricercatori ritengono che questa caratteristica di funzionamento, in grado di tollerare grandi variazioni di temperatura, sia uno dei requisiti più critici per le reti ottiche on-chip.
Una tendenza importante nel settore della microelettronica è quella di aumentare il parallelismo del calcolo mediante il multi-threading, la creazione di sistemi multi-chip su grande scala e, più di recente, e mediante l'aumento del numero di core su un unico chip. Ad esempio, il processore IBM Cell, che costituisce il cuore della console PlayStation 3 Sony, è composto da nove "cervelli", o core, su di un unico chip. Man mano che gli utenti continueranno a richiedere prestazioni di calcolo sempre maggiori, i progettisti dei chip prevedono di aumentare questo numero sino a decine o addirittura centinaia di core.
Questo approccio, tuttavia, ha senso solo se ciascun core è in grado di ricevere e trasmettere simultaneamente grandi messaggi da e verso tutti gli altri core presenti sul chip. I singoli core presenti sui microprocessori multi-core di oggi comunicano tra loro attraverso milioni di minuscoli conduttori di rame. Questi, tuttavia, utilizzerebbero troppa potenza e non sarebbero in grado di trasmettere l'enorme quantità di informazioni richiesta per supportare processori massivamente multi-core.
I ricercatori IBM stanno esplorando una soluzione alternativa a questo problema, collegando i core mediante impulsi di luce in una rete ottica on-chip, basata su circuiti integrati nanofotonici in silicio. Come una rete in fibra ottica a lunga distanza, tale rete on-chip estremamente piccola sarà in grado di trasmettere, ricevere ed indirizzare i messaggi tra i singoli core codificati come impulsi luminosi. Si prevede che l'uso della luce al posto dei conduttori consentirà di inviare 100 volte più informazioni tra i core, utilizzando 10 volte meno potenza e di conseguenza generando meno calore.