Ei kauan sitten NVIDIAn Jensen Huang totesi, että seuraavan -sukupolven AI-infrastruktuuri vaatii valtavia määriä optisia yhteyksiä, koska kuparikaapelit eivät enää vastaa vaatimuksia. Tämä ei ole liioittelua.
Olemme astumassa valon maailmaan
Tietotekniikan nopean kehityksen myötä globaali dataliikenne kasvaa eksponentiaalisesti, ja tietokapasiteetin ja prosessointitehon kysyntä kasvaa edelleen. Nousevien teknologioiden, kuten 5G-viestinnän, esineiden internetin, pilvitekniikan, big datan ja tekoälyn, ohjaamana perinteiset sähköiset viestintäjärjestelmät kohtaavat yhä useammin kaistanleveyden pullonkauloja ja korkeaa energiankulutusta. Optisesta viestintätekniikasta, jolla on merkittäviä etuja, kuten suuri kaistanleveys, pieni häviö ja sietokyky sähkömagneettisia häiriöitä vastaan, on tullut keskeinen ratkaisu näihin haasteisiin. Ydinsyy seuraavan-sukupolven AI-infrastruktuurin on turvattava voimakkaasti optisiin yhteyksiin on se, että "yhdysseinä" on korvannut laskentatehon suurimmana pullonkaulana. Kun GPU-klusterit skaalautuvat kymmeniin tuhansiin kortteihin ja yhden-kanavan nopeudet suuntautuvat kohti 224G:tä, kuparikaapelointi saavuttaa fyysiset rajat skin-ilmiön ja dielektrisen häviön vuoksi. Tehollisten lähetysetäisyyksien tiivistäminen alle 2 metriin-ei riitä cross{10}}telinemittaustarpeisiin{{11}. Samaan aikaan kaikki-optiset liitännät voivat vähentää bittikohtaisen kaistanleveyden virrankulutusta yli 40 %, mikä tekee niistä ainoan keinon ratkaista tekoälytehtaiden energiakriisi.
Litiumniobaatti: Vuosikymmeniä kylmäpenkillä
Elektro{0}}optinen modulaattori (EOM) muuntaa sähköiset signaalit optisiksi signaaleiksi ja suorittaa moduloinnin, joka on optisten viestintäjärjestelmien avainkomponentti. Sen suorituskyky vaikuttaa suoraan tiedonsiirtonopeuteen, energiankulutukseen, laatuun ja koko viestintäjärjestelmän vakauteen.
Litiumniobaatti (LiNbO₃, LN) on tärkeä sähkö{0}}optinen materiaali. Erinomaisen Pockels-efektin, korkean taitekertoimen (~2,2), laajan läpinäkyvyysikkunan (350 nm–5 μm) ja hyvän kemiallisen stabiiliuden ansiosta sitä arvostetaan fotoniikkayhteisössä "optisena piinä". 1960-luvulta lähtien sitä on käytetty laajalti elektro-optisissa modulaattoreissa.
Vaikka se oli kuitenkin välttämätön järjestelmätasolla, se jätettiin siru{0}}mittakaavaintegroinnin aallon ulkopuolelle kolmeksi vuosikymmeneksi. Tämä johtuu siitä, että tavanomaiset bulkkilitiumniobaattimodulaattorit käyttävät sähkökenttiä optisen vaiheen tai intensiteetin säätelemiseksi. Materiaalin fysikaalisten ominaisuuksien ja käsittelytekniikoiden rajoittamana bulkki-LN:n aaltoputken mitat ovat millimetreistä senttimetreihin, mikä johtaa lyhyeen vuorovaikutuspituuteen optisten ja sähkökenttien välillä. Tehokkaan modulaation saavuttamiseksi tarvitaan korkeita käyttöjännitteitä (muutamista kymmeniin voltteihin). Laitteen suuri koko vaikeuttaa sen integroimista pii{5}}perustaisiin fotonialustoihin, mikä rajoittaa sen käyttöä siru{6}}mittakaavassa integroiduissa optoelektronisissa järjestelmissä. Lisäksi perinteiset valmistusprosessit kärsivät suuresta aaltoputken etenemishäviöstä, mikä rajoittaa entisestään energiatehokkuutta ja pitkän matkan lähetystä. Tämän seurauksena alustat, kuten piifotoniikka, InP ja SiN, nousivat tunnetuiksi, ja LN:tä pidettiin kerran "erinomaisena suorituskyvynä, mutta sitä ei voida tehdä pieneksi tai tiheäksi".
Ohut{0}}elokuvateknologian läpimurto, saapuu juuri niin kuin kysyntä vaatii
Käännekohta tuli ohut{0}kalvolitiumniobaattiteknologian (TFLN) kypsymisen myötä. TFLN perustuu heterorakenteeseen "litiumniobaatti-eriste-substraatti". Käyttämällä kehittyneitä valmistustekniikoita, kuten kide-ionien viipalointia ja kemiallista mekaanista kiillotusta, yksi-kiteinen LN-ohutkalvo kuoritaan irtomateriaalista ja siirretään alustalle (pii, safiiri tai piidioksidi). Bulkkimateriaaliin verrattuna TFLN:n sub-mikroniset aaltoputket mahdollistavat paljon vahvemman optisen kentän rajauksen, mikä lisää valo-sähkökentän vuorovaikutuksen tehokkuutta kymmeniä kertoja, mikä pienentää merkittävästi käyttöjännitettä ja pienentää laitteen kokoa. Lisäksi TFLN:n alhainen etenemishäviö antaa sille ainutlaatuisen edun pitkän matkan{7}}fotonisissa integroiduissa piireissä, ja sen yhteensopivuus pii{8}}pohjaisten alustojen kanssa avaa uusia polkuja heterogeeniselle integroidulle fotoniikalle.
Katsotaanpa muutamia keskeisiä mittareita ymmärtääksemme, miksi se "äkkiä" napsahtaa esiin 1.6T/3.2T:n aikakaudella:
① Kaistanleveys: ylittää helposti 100 GHz, suuntaa kohti 200 GHz.
② Virrankulutus: vain noin kymmeniä femtojoulea bittiä kohden (fJ/bit).
③ Signaalin laatu: pieni välityshäviö, minimaalinen sirkutus, erinomainen lineaarisuus.
④ Monipuolisuus: yksi alusta, joka käsittelee sähkö-optisia, epälineaarisia ja kvanttisovelluksia.
Teollisuuden kysyntäpuolella, kun tekoälyn laskentateho kasvaa räjähdysmäisesti, datakeskusten optiset liitännät ovat siirtymässä 400 G:stä 800 G/1.6T/3.2T:iin, juuri aikakauteen, joka tarvitsee TFLN:n. Otetaan tämänhetkinen kuuma aihe ko-pakattu optiikka (CPO): se siirtää optisen moottorin etupaneelin{6}}kytkettävästä moduulista samalle pakkaussubstraatille kuin kytkinsiru/ASIC. NVIDIA:n massatuotettujen CPO-ratkaisujen jälkeen Spectrum-X- ja Quantum-sarjoissa mitatut tulokset osoittivat hämmästyttäviä tuloksia{10}}lisäyshäviö laski noin 22 dB:stä ~4 dB:iin, signaalin eheys parani kertoimella ~63 ja järjestelmän optinen tehokkuus kasvoi jopa 5-kertaiseksi.
Mutta CPO ei ole vain olemassa olevien optisten moduulien "uudelleensijoittamista". Pakkauksen tilavuus kutistuu rajusti, tehobudjetit leikataan luuhun asti, lämmönpoistoolosuhteet huononevat ja sähköympäristö muuttuu erittäin ankaraksi-jokainen optisen moottorin sisällä oleva laite painuu fyysisiin rajoihinsa. Näiden uusien rajoitusten alaisena TFLN on saapunut täydelliseen hetkeen, ja se on kehittynyt "suorituskyvyn vertailuarvosta" "tekniikan välttämättömyyteen".
Lyhyesti sanottuna syy ohuen{0}}kalvon litiumniobaatin kuumenemiseen ei johdu pelkästään siitä, että sitä on ohuempi-, vaan se, että laskentatehon rakennus on vihdoin kohonnut lattialle, jossa TFLN:n on toimittava kantavana-seinämänä.