Πριν από λίγο καιρό, ο Jensen Huang της NVIDIA δήλωσε ότι η επόμενη-γενιά υποδομή τεχνητής νοημοσύνης θα απαιτήσει τεράστιες ποσότητες οπτικής συνδεσιμότητας, καθώς τα χάλκινα καλώδια δεν μπορούν πλέον να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις. Αυτό δεν είναι υπερβολή.
Μπαίνουμε σε έναν Κόσμο Φωτός
Με την ταχεία ανάπτυξη της τεχνολογίας των πληροφοριών, η παγκόσμια διακίνηση δεδομένων αυξάνεται εκθετικά και η ζήτηση για χωρητικότητα πληροφοριών και επεξεργαστική ισχύ συνεχίζει να αυξάνεται. Με γνώμονα τις αναδυόμενες τεχνολογίες όπως οι επικοινωνίες 5G, το Διαδίκτυο των πραγμάτων, το cloud computing, τα μεγάλα δεδομένα και η τεχνητή νοημοσύνη, τα παραδοσιακά συστήματα ηλεκτρονικών επικοινωνιών αντιμετωπίζουν ολοένα και περισσότερο εμπόδια στο εύρος ζώνης και υψηλή κατανάλωση ενέργειας. Η τεχνολογία οπτικών επικοινωνιών, με τα σημαντικά πλεονεκτήματα του υψηλού εύρους ζώνης, της χαμηλής απώλειας και της ανοσίας σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, έχει γίνει βασική λύση σε αυτές τις προκλήσεις. Ο βασικός λόγος που η υποδομή τεχνητής νοημοσύνης επόμενης-γενιάς πρέπει να βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στις οπτικές συνδέσεις είναι ότι ο "τοίχος διασύνδεσης" έχει αντικαταστήσει την υπολογιστική ισχύ ως το μεγαλύτερο εμπόδιο. Καθώς τα συμπλέγματα GPU κλιμακώνονται σε δεκάδες χιλιάδες κάρτες και οι ρυθμοί μεμονωμένων-καναλιών κατευθύνονται προς τα 224G, η χάλκινη καλωδίωση αγγίζει τα φυσικά όρια λόγω του εφέ δέρματος και της διηλεκτρικής απώλειας, συμπιέζοντας τις αποτελεσματικές αποστάσεις μετάδοσης σε λιγότερο από 2 μέτρα-ανεπαρκείς για τις{10}1}ανάγκες κλίμακας διασταύρωσης{1}. Ταυτόχρονα, όλες οι{13}}οπτικές διασυνδέσεις μπορούν να μειώσουν την κατανάλωση ενέργειας ανά{14}}bit εύρος ζώνης κατά περισσότερο από 40%, καθιστώντας τις τον μοναδικό δρόμο για την επίλυση της ενεργειακής κρίσης στα εργοστάσια τεχνητής νοημοσύνης.
Νιοβικό λίθιο: Δεκαετίες στον κρύο πάγκο
Ως βασικό στοιχείο των συστημάτων οπτικής επικοινωνίας, ο ηλεκτρο-οπτικός διαμορφωτής (EOM) μετατρέπει τα ηλεκτρικά σήματα σε οπτικά σήματα και εκτελεί διαμόρφωση. Η απόδοσή του επηρεάζει άμεσα τον ρυθμό μετάδοσης, την κατανάλωση ενέργειας, την ποιότητα και τη σταθερότητα ολόκληρου του συστήματος επικοινωνίας.
Το νιοβικό λίθιο (LiNbO3, LN) είναι ένα κρίσιμο ηλεκτρο-οπτικό υλικό. Με το εξαιρετικό του φαινόμενο Pockels, τον υψηλό δείκτη διάθλασης (~2,2), το ευρύ παράθυρο διαφάνειας (350 nm–5 μm) και την καλή χημική του σταθερότητα, θεωρείται στη φωτονική κοινότητα ως «οπτικό πυρίτιο». Από τη δεκαετία του 1960, έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως σε ηλεκτρο-οπτικούς διαμορφωτές.
Ωστόσο, ενώ ήταν απαραίτητο σε επίπεδο συστήματος, έμεινε έξω από το κύμα της ενσωμάτωσης κλίμακας τσιπ-για τρεις δεκαετίες. Αυτό συμβαίνει επειδή οι συμβατικοί διαμορφωτές νιοβικού λιθίου χύδην βασίζονται σε ηλεκτρικά πεδία για τον έλεγχο της οπτικής φάσης ή έντασης. Περιορισμένες από τις φυσικές ιδιότητες και τις τεχνικές επεξεργασίας του υλικού, οι διαστάσεις του κυματοδηγού του χύμα LN είναι της τάξης των χιλιοστών έως εκατοστών, με αποτέλεσμα ένα μικρό μήκος αλληλεπίδρασης μεταξύ του οπτικού και του ηλεκτρικού πεδίου. Για να επιτευχθεί αποτελεσματική διαμόρφωση, απαιτούνται υψηλές τάσεις οδήγησης (από πολλές έως δεκάδες βολτ). Το μεγάλο μέγεθος της συσκευής καθιστά δύσκολη την ενσωμάτωση με φωτονικές πλατφόρμες-με βάση το πυρίτιο, περιορίζοντας τη χρήση της σε ολοκληρωμένα οπτοηλεκτρονικά συστήματα-κλίμακας chip. Επιπλέον, οι συμβατικές διαδικασίες κατασκευής υποφέρουν από υψηλή απώλεια διάδοσης κυματοδηγού, περιορίζοντας περαιτέρω την ενεργειακή απόδοση και τη μετάδοση σε μεγάλες αποστάσεις. Ως αποτέλεσμα, πλατφόρμες όπως η φωτονική πυριτίου, το InP και το SiN αναδείχθηκαν και το LN θεωρήθηκε κάποτε "μεγάλη απόδοση, αλλά δεν μπορεί να γίνει μικρό ή πυκνό".
Η σημαντική ανακάλυψη της τεχνολογίας λεπτών-φίλμ, που φτάνει ακριβώς όπως το απαιτεί η ζήτηση
Το σημείο καμπής ήρθε με την ωρίμανση της τεχνολογίας νιοβικού λιθίου λεπτής-μεμβράνης (TFLN). Το TFLN βασίζεται σε μια ετεροδομή "νιοβικού λιθίου-μονωτής-υποστρώματος". Χρησιμοποιώντας προηγμένες τεχνικές κατασκευής, όπως ο τεμαχισμός ιόντων κρυστάλλου και η χημική μηχανική στίλβωση, μια λεπτή μεμβράνη LN μεμονωμένου κρυστάλλου αποφλοιώνεται από το χύμα υλικό και μεταφέρεται σε ένα υπόστρωμα (πυρίτιο, ζαφείρι ή διοξείδιο του πυριτίου). Σε σύγκριση με το χύμα υλικό, οι υπο-κυματοδηγοί μικρού TFLN επιτρέπουν πολύ ισχυρότερο περιορισμό οπτικού πεδίου, αυξάνοντας την απόδοση αλληλεπίδρασης φωτός-ηλεκτρικού πεδίου κατά δεκάδες φορές, μειώνοντας έτσι σημαντικά την τάση οδήγησης και μειώνοντας το μέγεθος της συσκευής. Επιπλέον, η χαμηλή απώλεια διάδοσης του TFLN του δίνει ένα μοναδικό πλεονέκτημα στα ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα μεγάλων αποστάσεων και η συμβατότητά του με πλατφόρμες που βασίζονται σε πυρίτιο- ανοίγει νέους δρόμους για ετερογενή ολοκληρωμένη φωτονική.
Ας δούμε μερικές βασικές μετρήσεις για να καταλάβουμε γιατί «ξαφνικά» υφίσταται την εποχή του 1.6T/3.2T:
① Εύρος ζώνης: υπερβαίνει εύκολα τα 100 GHz, κατευθύνοντας προς τα 200 GHz.
② Κατανάλωση ενέργειας: μόνο περίπου δεκάδες femtojoules ανά bit (fJ/bit).
③ Ποιότητα σήματος: χαμηλή απώλεια εισαγωγής, ελάχιστο κελαηδόνι, εξαιρετική γραμμικότητα.
④ Ευελιξία: μια ενιαία πλατφόρμα που χειρίζεται ηλεκτρο-οπτικές, μη γραμμικές και κβαντικές εφαρμογές.
Από την πλευρά της ζήτησης του κλάδου, με την υπολογιστική ισχύ AI να εκρήγνυται, οι οπτικές διασυνδέσεις κέντρων δεδομένων μετακινούνται από 400G σε 800G/1.6T/3.2T, ακριβώς την εποχή που χρειάζεται το TFLN. Ας δούμε το τρέχον καυτό θέμα της συν-συσκευασμένης οπτικής (CPO): μετακινεί τον οπτικό κινητήρα από την συνδεδεμένη μονάδα του μπροστινού-πίνακα στο ίδιο υπόστρωμα συσκευασίας με το τσιπ διακόπτη/ASIC. Αφού η NVIDIA μάζα-παρήγαγε λύσεις CPO στις σειρές Spectrum-X και Quantum, τα δεδομένα μέτρησης έδειξαν εκπληκτικά αποτελέσματα{10}}η απώλεια εισαγωγής μειώθηκε από περίπου 22 dB σε ~4 dB, η ακεραιότητα του σήματος βελτιώθηκε κατά ~63 και η απόδοση του συστήματος αυξήθηκε κατά 5 σε οπτική ισχύ.
Αλλά το CPO δεν αφορά απλώς τη "μετακίνηση" των υπαρχόντων οπτικών μονάδων. Ο όγκος του πακέτου συρρικνώνεται δραστικά, οι προϋπολογισμοί ισχύος μειώνονται μέχρι το τέλος, οι συνθήκες απαγωγής θερμότητας χειροτερεύουν και το ηλεκτρικό περιβάλλον γίνεται εξαιρετικά σκληρό-κάθε συσκευή μέσα στον οπτικό κινητήρα ωθείται στα φυσικά της όρια. Κάτω από αυτό το νέο σύνολο περιορισμών, το TFLN έφτασε στην τέλεια στιγμή, εξελισσόμενη από "σημείο αναφοράς απόδοσης" σε "μηχανική αναγκαιότητα".
Εν ολίγοις, ο λόγος που το νιόβιο λιθίου λεπτού{0}}υμενίου έχει γίνει τόσο ζεστό δεν είναι μόνο ότι έγινε λεπτότερο-αλλά επειδή το οικοδόμημα της υπολογιστικής ισχύος ανέβηκε τελικά στο πάτωμα όπου το TFLN πρέπει να χρησιμεύσει ως φέρων τοίχος-.