Pierwszy na świecie tani, energooszczędny chipset CMOS o przepustowości 25/100 Gb dla centrów danych
Z obliczeń wynika, że centra danych zużywają obecnie 200 terawatogodzin energii elektrycznej rocznie, co odpowiada około 1 % światowego zapotrzebowania na energię elektryczną. Jak wynika z niektórych prognoz, zapotrzebowanie to ma wzrosnąć nawet do około 7 % w ciągu nieco ponad dziesięciu lat. Aby rozwiązać problemy związane z niedostateczną efektywnością energetyczną istniejących centrów danych, w ramach wspieranego przez unijny instrument na rzecz MŚP projektu MERCURY powstał i został zaprezentowany pionierski prototyp chipsetu opartego na układzie scalonym. Po raz pierwszy w historii w ramach projektu MERCURY zastosowano standardową technologię CMOS na 12-calowych płytkach półprzewodnikowych, aby osiągnąć prędkość transmisji danych na poziomie 25 gigabitów na sekundę przy pomocy modułów nadajników-odbiorników optycznych w konfiguracji 4 x 25 Gb. Łączenie optyki i elektryczności Przy prędkościach transmisji danych wynoszących 25 Gb lub wyższych, typowych dla najnowszych rozwiązań komunikacyjnych o dużej przepustowości, jeśli odległość, którą muszą pokonać sygnały elektryczne na płytce drukowanej, jest dłuższa niż kilka cali, następuje ich tłumienie, a nawet całkowite zagłuszenie sygnałów przez szum. Układy scalone obejmujące nadajniki-odbiorniki optyczne nie mają tego ograniczenia, ponieważ wykorzystują niskostratne światłowody w celu przesyłania i odbierania sygnałów. W wielu przypadkach układy te wykorzystują tranzystory bipolarne wykonanych z krzemu i germanu (BiCMOS SiGe). Tego rodzaju rozwiązanie oferuje wysoką przepustowość, jednak kosztem efektywności energetycznej, ponieważ tranzystory SiGe pracują pod wyższym napięciem niż tranzystory CMOS. Innowacyjne rozwiązanie opracowane w ramach projektu MERCURY polega na konwersji sygnałów optycznych na elektryczne i w drugą stronę z wykorzystaniem technologii CMOS. Naukowcy z projektu MERCURY wykorzystali po stronie transmitującej zaawansowany system umożliwiający konwersję przychodzących danych cyfrowych na sygnały analogowe sterujące laserem. Zastosowana po stronie odbiornika fotodioda umożliwiła konwersję odbieranego światła na fotoprąd o niskim napięciu, wzmacniany na kilku etapach i konwertowany do sygnału cyfrowego z zachowaniem zarówno zegara (koordynującego sterowanie czasowe), jak i sygnałów danych. „Jeśli mamy oprzeć się na realnym przykładzie, niedawno zbudowane centrum danych w Dublinie zostało wyposażone w milion nadajników-odbiorników optycznych. W przypadku zastosowania naszej technologii, każdy z nich zużywałby od 0,5 do 1 wata energii mniej. Jeśli dodatkowo uwzględnimy niedostateczną efektywność systemu klimatyzacji, przekłada się to na około 5 megawatów zaoszczędzonej energii, co odpowiada ponad 1 600 czajnikom działającym przez cały czas. Pamiętajmy przy tym, że mówimy tutaj tylko o jednym centrum danych!”, mówi koordynator projektu Gary Steele. Dzięki rozmiarowi wynoszącemu 12 cali wykorzystywane w projekcie MERCURY płytki CMOS pozwalają na lepsze wykorzystanie korzyści płynących ze skali produkcji w porównaniu z 8-calowymi płytkami SiGe. Poza obniżeniem kosztów dzięki zmniejszeniu zużycia energii o przeszło połowę względem konkurencyjnych rozwiązań bez utraty wydajności i funkcjonalności, technologia opracowana w ramach projektu MERCURY może zastąpić wykorzystywaną dotychczas technologię BiCMOS, co miało już miejsce w przypadku niższych szybkości transmisji danych. Rosnące zapotrzebowanie na efektywne energetycznie centra danych Inwestycje w europejskie centra danych stale rosną, a do 2020 roku jednostki tego typu położone na terenie Europy będą zużywały rocznie przeszło 100 miliardów kilowatogodzin energii elektrycznej. Opracowany przez Komisję Europejską Kodeks postępowania w zakresie efektywności energetycznej w centrach danych powstał w celu przeciwdziałania tej niezrównoważonej sytuacji przy jednoczesnym zapewnieniu, że nie odbije się to negatywnie na szybkości i pojemności pamięci centrów danych. Zastąpienie technologii BiCMOS rozwiązaniem CMOS opracowanym w ramach projektu MERCURY pozwala na zmniejszenie zużycia energii elektrycznej oraz ilości ciepła odpadowego, skutecznie wspierając te działania. Ponadto Gary Steele dodaje: „Przepustowości rzędu 25 gigabitów na sekundę stanowią główne rozwiązanie wykorzystywane na potrzeby sieci komórkowych 5G. Dzięki znacznie wyższej przepustowości danych w porównaniu do istniejących sieci 3G i 4G, a także zwiększonej liczbie stacji bazowych, rozwiązania zmniejszające zużycie energii opracowane w ramach projektu MERCURY sprawdzą się także w tych zastosowaniach. Szacujemy, że wielkość produkcji może wynieść do 50 milionów sztuk rocznie, a całkowita liczba wykorzystanych urządzeń może z łatwością dojść nawet do 250 milionów sztuk na całym świecie”. Po zaprezentowaniu pełnej funkcjonalności rozwiązania, po którym nastąpiła dalsza poprawa osiągów urządzenia – między innymi w ramach kolejnej serii prototypowej – zespół prowadzi prace nad testowaniem laboratoryjnym próbek inżynieryjnych w oczekiwaniu na pełną produkcję masową.
Słowa kluczowe
MERCURY, 5G, układy scalone, nadajniki/odbiorniki optyczne, CMOS, BiCMOS, centra danych, szybkość przesyłu danych, tranzystory bipolarne, efektywność energetyczna, zielone, zrównoważone
