Компании, занимающиеся разработкой решений в области PCIe, уже некоторое время экспериментируют с оптической передачей данных в качестве альтернативы интерфейсу CopperLink. На мероприятии DevCon 2024 было продемонстрировано важное достижение: Cadence показала соединение PCIe 7.0 на скорости 128 ГТ/с с использованием стандартных компонентов.

Источник изображения: Cadence

В рамках демонстрации соединение поддерживалось непрерывно в течение двух дней — на протяжении всего мероприятия — без перерывов. Оптические коннекторы PCIe предназначаются для корпоративных решений: гиперскейлеров, облачных провайдеров, центров обработки данных и HPC. В качестве альтернативы CopperLink оптические коннекторы могут обеспечить разработчикам серверов и операторам ЦОД расширенные возможности с учётом высокой пропускной способности.

Спецификации CopperLink, утверждённые ранее в этом году, предлагают скорость до 32 и 64 ГТ/с для PCIe 5.0 и 6.0 соответственно; оптика поможет разогнать PCIe 6.0 и 7.0, но скорость в 128 ГТ/с, которую продемонстрировала Cadence, актуальна только для последней версии стандарта. Организация PCI-SIG создала отдел для разработки оптических соединений ещё в августе 2023 года. Планируется создание целого спектра решений для PCIe: подключаемые оптические трансиверы, встроенная оптика и оптические системы ввода-вывода. Окончательные спецификации оптического подключения, как ожидается, будут подготовлены к декабрю 2024 года.

Передовые потребительские ПК в настоящее время работают с PCIe 5.0 — стандарт обеспечивает SSD скорость выше 10 Гбайт/с. Спецификации PCIe 6.0 были опубликованы в начале 2022 года — в корпоративных системах соответствующие ему компоненты могут появиться в 2024 и 2025 годах. На минувшей неделе во время DevCon предварительные спецификации PCIe 7.0 обновились до версии 0.5, а окончательные появятся в следующем году. По первоначальным оценкам PCI-SIG, соответствующее им оборудование должно было появиться в 2027 году, но впоследствии сроки были перенесены ещё на год вперёд.

Спецификации PCIe 6.0 и 7.0 должны поддерживать пропускную способность до 256 и 512 Гбайт/с соответственно для интерфейсов x16. Их нововведения включают в себя модуляцию PAM4, Lightweight Forward Error Correction (L-FEC), Cyclic Redundancy Check (CRC) и Flow Control Units (Flits). Flits и многие другие функции PCIe 6.0 компания Cadence также продемонстрировала на DevCon.

Долгое время линзы были достаточно толстыми и тяжёлыми, что ограничивало их применение в ряде областей, например, в астрономии или в области крупногабаритных осветительных приборов. Жизнь стала проще с изобретением линзы Френеля со ступенчатой конструкцией. Сегодня учёные из Стэнфорда и Амстердамского университета довели идею ступенчатой линзы до абсолюта — они создали линзу толщиной всего в три атома, которой может найтись много применений.

Источник изображения: Ludovica Guarneri and Thomas Bauer

Как и классические линзы Френеля, разработка учёных представляет собой комбинацию из нескольких концентрических структур. Фактически это напыление из дисульфида вольфрама (WS₂), толщиной 0,6 нм. Предыдущий рекорд был установлен в 2016 году, когда учёные представили линзу толщиной 6,3 нм.

В своей работе, опубликованной в журнале Nano Letters, исследователи показали, как линза фокусирует красный свет. Фокусное расстояние отстоит от линзы на 1 мм. Круги из дисульфида вольфрама поглощают красные длины волн, а затем излучают их в точку фокуса. Строго говоря, излучают свет короткоживущие квазичастицы экситоны, которые излучают распадаясь. Все другие длины волн проходят сквозь материал линзы почти совершенно свободно. Подобная избирательность, считают учёные, может пригодиться в очках дополненной реальности. Сквозь них будет всё хорошо видно, но часть света может фокусироваться и нести дополнительную информацию.

Учёные продолжат работать над новыми линзами, намереваясь изучить вопрос создания сложных покрытий, активируемых электрическими зарядами.

Исследователи из Санкт-Петербургского Института точной механики и оптики (ИТМО) создали самый маленький в мире нанолазер для широкого спектра применений. Светоизлучающий прибор, который в 5 тысяч раз меньше миллиметра, может послужить как основой оптоэлектронных чипов, так и элементом дисплеев и медицинских приборов для точной диагностики.

Сергей Макаров. Источник изображения: Новый физтех ИТМО

«Ключевая идея предложенного дизайна нанолазера — использование нового механизма его работы за счет выстраивания сильной связи "свет-вещество". Это помогает значительно снизить порог его "включения". Излучение нанолазера имеет направленный характер, что позволяет эффективно собирать его в нашей оптической схеме и регистрировать на лабораторном спектрометре (прибор для фиксации, обработки и анализа волн света)», — рассказал Сергей Макаров, руководитель лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники ИТМО.

Нанолазеры позволяют излучать свет с длиной волны намного большей, чем источник излучения. Особенно проблемно было получить источник «зелёных» фотонов. Разработка ИТМО преодолела это ограничение, прозванное в научной среде «зелёной ямой» (green gap). Предыдущий созданный в институте зелёный нанолазер был размером 310 нм. Новый удалось уменьшить до 200 нм.

В качестве светоизлучающего материала российские учёные использовали искусственно синтезированный перовскит — CsPbBr₃ в форме кубоида. «Этот материал изучается в университете с 2017 года. За это время учёным удалось доказать, что он стабилен, имеет высокий коэффициент оптического усиления (позволяет использовать энергию света максимально эффективно), а главное — он лучше всего работает в зеленом спектре», — поясняется в пресс-релизе ИТМО.

Следует уточнить, что все поставленные до этого времени эксперименты проводились с оптической накачкой нанолазера. На следующем этапе учёные начнут опыты с электрической накачкой нанолазера, для чего материал поместили на металлическую подложку. Это уже путь к дисплеям на базе светоизлучающих нанолазеров.

Группа учёных из Китая объявила о создании устройства связи, которое может сыграть решающую роль в развитии сетей 6G. Оборудование, основанное на «технологии космической оптической коммутации», было выведено для испытаний на орбиту в августе 2023 года. Установленное на спутнике устройство способно передавать световые сигналы без преобразования их в электрические импульсы. Команда Сианьского института оптики и точной механики Китайской академии наук сообщила, что испытания в космосе прошли успешно,

Источник изображения: Pixabay

Традиционные коммутационные устройства связи в процессе передачи данных обычно преобразуют световые сигналы в электрические. Но этот традиционный фотон-электрон-фотонный метод имеет эффект «электронного узкого места», в то время как оптический подход может максимизировать скорость и ёмкость систем обмена данными. Новый метод также может снизить затраты на строительство специальных объектов связи.

Команда китайских учёных посвятила более десяти лет разработке устройства, повышающего возможности, гибкость и скорость передачи информации. «Сети связи следующего поколения, включая 6G, выйдут за рамки наземной связи, это должна быть глобальная сеть, включающая спутниковые узлы», — уверены разработчики. Согласно статье, опубликованной ими в прошлом году, новая технология на сегодняшний день поддерживает скорость передачи данных на уровне 40 гигабит в секунду.

Традиционно связь «спутник-земля» базируется на использовании радиосигнала, но скорость передачи данных сравнительно невысока из-за ограниченного диапазона используемых частот. Поэтому в последнее время всё больше внимания уделяется оптическим технологиям обмена информацией, в частности, лазерам. Полоса пропускания лазера потенциально может достигать нескольких сотен гигагерц, что позволяет упаковывать больше данных в каждую передачу.

Учёные уверены, что обычным коммутационным устройствам будет сложно превысить порог скорости передачи данных в 100 Гбайт/с из-за ограничений пропускной способности. Поэтому жизненно важно разработать более совершенную систему оптического обмена информацией. «Это особенно актуально для межпланетной связи, поскольку оптическая коммутация будет более эффективной, быстрой, компактной и дешёвой», — уверены исследователи.

Несмотря на последний прорыв китайской команды, исследователи говорят, что впереди ещё долгий путь до практического применения новой технологии. Спутниковый Интернет в Китае, включая технологию космической оптической коммутации, все ещё отстаёт от США, поскольку в некоторых важнейших компонентах и технологиях доминируют американские предприятия. На данный момент несколько компаний в отрасли, таких как Starlink Илона Маска (Elon Musk), экспериментируют с оптическим способом межспутниковой передачи данных.

Технология Power over Ethernet для передачи питания и данных по одному кабелю мало кого удивит, однако передача питания и данных по одному оптическому кабелю — это свежо и необычно. Этим удивили исследователи из японской корпорации NTT и учёные из Технологического института Китами. По единому оптоволоконному кабелю они передали данные и питание мощностью 1 Вт на расстояние свыше 10 км.

Источник изображения: Pixabay

Для эксперимента был взят обычный 125-мкм волоконно-оптический кабель с четырьмя волокнами. В каждый из четырёх световодов подавался свет с длиной волны 1550 нм, который использовался для получения энергии на противоположном конце, а в два волокна заводились данные на волне длиной 1310 нм. Скорость передачи данных оставалась на уровне 10 Гбит/с, но параллельно происходила передача питания мощностью 1 Вт на расстояние до 14 км.

Источник изображения: NTT

Утверждается, что эффективность предложенного решения достигает 14 Вт/км, что считается мировым рекордом. Подобное решение может стать спасением во время стихийных бедствий, когда на месте отсутствует питание. В таком случае оборудование может быть запитано издалека одновременно с передачей данных. Протянуть один оптический кабель в зону бедствия будет проще, дешевле и безопаснее, чем разворачивать обычную систему подачи электрической энергии. С такой работой сможет справиться даже небольшой коммерческий дрон, поэтому у новой разработки немало шансов воплотиться в реальные продукты.

Организация PCI-SIG доложила о формировании рабочей группы для разработки оптического интерфейса, который смог бы заменить используемую сейчас электронную шину. Это поможет сэкономить энергию, снизить тепловыделение и повысить производительность компьютеров в целом, но в первую очередь технология появится в серверах, дата-центрах и прочих мощных системах.

Источник изображения: Visor69 / pixabay.com

PCI Express, возможно, является важнейшей шиной ПК, соединяющей его наиболее важные компоненты: центральный процессор с дискретным графическим процессором и твердотельным накопителем, а также другими интерфейсами. Развитие этой технологии помогают повысить производительность компьютера в целом, но переход от электроники к оптике означал бы революцию.

Едва ли стоит ожидать, что оптическая версия PCIe появится в ближайшее время — будь то спецификация или тем более реальный прототип. Только в 2025 году ожидается выход спецификации PCI Express 7.0, которая предложит колоссальные 128 ГТ/с. На рынке же самыми актуальными остаются компоненты стандарта PCI Express 4.0, который был утверждён в 2017 году. Компоненты с PCIe 5.0 только начинают свой путь.

Применение оптики для передачи данных изучается более десяти лет: когда-то Intel предложила технологию Light Peak как замену USB, но впоследствии проект был переименован в Thunderbolt и претерпел значительные изменения. Тем не менее, оптические решения не утратили актуальности. Интерконнект вычислительных компонентов может потреблять до 80 % мощности чипов — оптика может снизить этот показатель и повысить скорость передачи данных.

Но в PCI-SIG так далеко пока не заглядывают. «Эта новая рабочая группа по оптическим технологиям будет работать над тем, чтобы сделать архитектуру PCIe более подходящей для оптических устройств», — говорится в заявлении организации.