Chip fotônico milimétrico elimina gargalo nas centrais de dados

Redação do Site Inovação Tecnológica - 20/07/2023

É uma integração eletrônica-fotônica sem precedentes, com ganhos imediatos para as centrais de dados.
[Imagem: Anthony Rizzo et al. - 10.1038/s41566-023-01244-7]

Cada dado em sua cor

Este novo chip representa um método energeticamente eficiente e prontamente utilizável para transferir grandes quantidades de dados pelos cabos de fibra óptica que conectam os nós dentro das centrais de dados.

Esta nova tecnologia melhora as técnicas de multiplexação, que permitem transmitir vários sinais simultaneamente pelos mesmos cabos de fibra óptica.

O que faz a diferença aqui é que, em vez de usar um laser diferente para gerar cada cor de luz - cada cor é responsável por um canal de dados trafegando pela mesma fibra - a equipe criou chips que precisam de um único laser para gerar centenas de comprimentos de onda diferentes de luz, cada um permitindo transferir simultaneamente fluxos independentes de dados.

Anthony Rizzo e seus colegas da Universidade de Colúmbia, nos EUA, miniaturizaram todos os componentes ópticos em chips de poucos milímetros para receber os dados vindos do computador na forma de sinais elétricos, gerar luz, codificar nela os dados elétricos e depois converter os dados ópticos de volta em um sinal elétrico no nó de destino.

Isso exigiu desenvolver uma nova arquitetura de circuito fotônico que permite que cada canal seja codificado individualmente com dados, tendo uma interferência mínima com os canais vizinhos. Assim, os sinais enviados em cada cor de luz não se tornam confusos e difíceis para o receptor interpretar e converter de volta em dados eletrônicos.

O sistema de escala milimétrica emprega uma técnica chamada multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) e componentes chamados pentes de frequência Kerr, que pegam uma única cor de luz na entrada e criam muitas novas cores de luz na saída.

Em referência aos chamados circuitos integrados fotônicos, ou PICs (Photonic Integrated Circuits), estes são links integrados fotônicos, ou PILs (Photonic Integrated Links).
[Imagem: The Lightwave Research Laboratory/Columbia Engineering]

Links fotônicos de silício

A natureza compacta desses chips fotônicos permite que eles interajam diretamente com os chips eletrônicos dos computadores e roteadores, reduzindo muito o consumo de energia, com os sinais de dados elétricos precisando se propagar apenas alguns milímetros, em vez de dezenas de centímetros na tecnologia atual.

Nos experimentos de demonstração, os pesquisadores conseguiram transmitir 16 gigabits por segundo por comprimento de onda, usando 32 comprimentos de onda distintos de luz para uma largura de banda total de fibra única de 512 Gb/s. A taxa de erro foi inferior a um bit em um trilhão de bits de dados transmitidos. São níveis incrivelmente altos de velocidade e de eficiência.

O chip de silício que transmite os dados mede apenas 4 mm x 1 mm, enquanto o chip que recebe o sinal óptico e o converte em sinal elétrico mede apenas 3 mm x 1 mm. É uma miniaturização radical para o campo da fotônica, onde os componentes são tipicamente muito grandes por causa do tamanho do comprimento de onda da luz.

"Desta forma, nossa abordagem é muito mais compacta e energeticamente eficiente do que abordagens comparáveis," disse Rizzo. "Ela também é mais barata e fácil de escalonar, uma vez que os chips de geração, de pentes de frequência de nitreto de silício, podem ser fabricados em fundições CMOS padrão usadas para fabricar chips microeletrônicos, em vez de caras fundições III-V dedicadas."

Ilustração de um data center desagregado com base em links fotônicos de silício acionados por pentes de frequência Kerr.
[Imagem: Lightwave Research Laboratory/Columbia Engineering]

Entenda o problema

Esta tecnologia deverá ter ampla implantação porque os centros de dados e computadores de alto desempenho não são limitados hoje pela capacidade computacional absoluta dos seus nós individuais, mas pela quantidade de dados que eles podem transferir entre os nós - é o chamado "gargalo da largura de banda", que atualmente limita o desempenho e o dimensionamento desses sistemas.

Os nós nesses sistemas podem ser separados por mais de um quilômetro. Como fios de metal dissipam muito calor ao transferir dados em alta velocidade, os dados são transferidos por meio de cabos de fibra óptica. Infelizmente, muita energia é gasta no processo de conversão dos dados elétricos em dados ópticos (e vice-versa) à medida que os sinais são enviados de um nó para o outro.

Estes novos chips reduzem ao mínimo esse desperdício de energia ao integrar todo o processo em chips minúsculos.

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