Eletrônica

Chips a laser poderão viabilizar supercomputadores de classe petaflop

Will Knight - New Scientist - 23/03/2006

A empresa japonesa NEC demonstrou chips de comunicação a laser capazes de bombear dados pelas veias de supercomputadores colossais, com velocidades na escala de petaflops.

Os chips de comunicação conseguem transferir dados por meio de fibras ópticas a incríveis 25 gigabits por segundo (um gigabit equivale a um bilhão de bits). Este é um recorde para esse tipo de componente, de acordo com a NEC, e é muitas vezes mais rápido do que as interconexões puramente eletrônicas utilizadas nos supercomputadores atuais.

Microprocessadores de comunicação são capazes de converter sinais eletrônicos em sinais ópticos. Utilizar fibras ópticas para transmitir dados entre os chips é exatamente o que poderá colocar uma fronteira entre esses supercomputadores petaflop e os atuais, que utilizam processadores conectados eletronicamente.

A NEC utilizou um tipo de diodo semicondutor a laser chamado VCSEL ("Vertical-Cavity Surface Emitting Laser": laser de emissão superficial por cavidade vertical), que gera pulsos de laser em resposta a uma corrente elétrica. Os pesquisadores da empresa criaram componentes VCSEL mais eficientes construindo os diodos com uma mistura de arseneto de gálio e arseneto de gálio-índio - ele usaram índio ao invés do tradicional alumínio. Isto tornou possível transferir pulsos de laser mais rapidamente através da fibra óptica.

Os novos chips VCSEL poderão ser utilizados para a construção de supercomputadores com capacidades sem precedentes, graças ao roteamento mais eficiente entre os milhares de processadores individuais. A NEC acredita que esses chips poderão ser cruciais para o desenvolvimento do primeiro supercomputador de classe petaflop - uma máquina capaz de efetuar mil trilhões de cálculos matemáticos por segundo.

"O desempenho de classe petaflop poderá ser atingido na próxima geração de supercomputadores com o novo VCSEL, por volta de 2010," disse o pesquisador Takahiro Nakamura à New Scientist.

Processadores comuns

O feito poderá permitir à NEC reaver a coroa da supercomputação, que ela manteve entre 2002 e 2004 com o Earth Simulator - um supercomputador instalado na Agência Japonesa para Ciência e Tecnologia do Mar e da Terra, em Yokohama, Japão. Isto porque a eficiência com a qual chips puramente eletrônicos compartilham dados é um gargalo fundamental no projeto de um supercomputador. A maioria dos supercomputadores atuais opera a velocidades máximas de uns poucos teraflops (trilhões de operações por segundo).

Muito supercomputadores são essencialmente construídos ligando-se milhares de processadores de computadores comuns. Entretanto, o atual número 1, uma máquina da IBM chamada BlueGene, instalada no Laboratório Nacional Lawrence Livermore, Estados Unidos, é feito de componentes customizados e é capaz de atingir assustadores 360 teraflops.

Embora especialistas externos concordem que os chips VCSEL possam vir a ser utilizados para a construção de supercomputadores formidáveis, eles dizem que o custo desses componentes também será crucial. "Largura de banda simplesmente não é necessariamente a questão mais importante para a computação em petaescala," diz John Shalf, do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, Estados Unidos. "A questão é se nós podemos bancar esses componentes."

Além disso, embora dos chips VCSEL prometam ser mais baratos do que as tecnologias ópticas comparáveis - tais como lasers de fosfeto de índio - Shalf afirma que uma solução mais barata poderá estar na combinação de vários canais de conexões eletrônicas em um único canal ("pipe") de dados. Outro enfoque poderia ser enviar vários sinais ópticos pelo mesmo cabo, uma técnica conhecida como multiplexação por divisão de comprimento de onda.

Complexidade sem precedentes

"A capacidade para chegar a 25 gigabits por segundo, utilizando-se os VCSEL, oferece algumas oportunidades para componentes mais custo-efetivos, mas esta ainda é uma questão em aberto," disse Shalf à New Scientist. "Você pode ter certeza de que o mercado irá dar a resposta quando essas coisas se tornarem produtos reais."

Horst Simon, outro especialista em supercomputação do Laboratório Lawrence Berkeley, acrescenta que outras questões irão afetar o desenvolvimento da próxima geração de supercomputadores. "Construir um sistema em petaescala com uma quantidade suficiente de memória - digamos, ao menos 200 terabytes - e então fornecer energia e resfriar um sistema assim serão os grandes desafios," disse ele.

Quaisquer que sejam os desafios à frente, a NEC está confiante que os supercomputadores de classe petaflop serão capazes de efetuar experimentos de complexidade sem precedentes. "Eles serão capazes de efetuar uma simulação completa do corpo humano do nível genético e celular até os órgãos e mesmo o corpo inteiro," diz Nakamura. "Simulações complexas e detalhadas do comportamento de nanomateriais, das partículas elementares até o nível de componentes, também estão previstas."