Не так давно Дженсен Хуанг из NVIDIA заявил, что инфраструктура искусственного интеллекта следующего-поколения потребует огромных объемов оптических подключений, поскольку медные кабели больше не удовлетворяют этим требованиям. Это не преувеличение.
Мы вступаем в мир света
С быстрым развитием информационных технологий глобальный трафик данных растет в геометрической прогрессии, а спрос на информационную емкость и вычислительную мощность продолжает расти. Благодаря новым технологиям, таким как связь 5G, Интернет вещей, облачные вычисления, большие данные и искусственный интеллект, традиционные системы электронной связи все чаще сталкиваются с узкими местами в полосе пропускания и высоким потреблением энергии. Технология оптической связи с ее значительными преимуществами, такими как высокая пропускная способность, низкие потери и устойчивость к электромагнитным помехам, стала ключевым решением этих проблем. Основная причина, по которой инфраструктура искусственного интеллекта следующего-поколения должна в значительной степени полагаться на оптические соединения, заключается в том, что «стена межсоединений» заменила вычислительную мощность в качестве самого большого узкого места. Поскольку кластеры графических процессоров масштабируются до десятков тысяч карт, а одноканальная скорость приближается к 224G, медные кабели достигают физических пределов из-за скин-эффекта и диэлектрических потерь, сжимая эффективные расстояния передачи до менее чем 2 метров, -недостаточных для кросс--масштабирования-стойки. В то же время все-оптические межсоединения могут снизить энергопотребление на-бит полосы пропускания более чем на 40 %, что делает их единственным способом решения энергетического кризиса на заводах искусственного интеллекта.
Ниобат лития: десятилетия на холодной скамье
Являясь ключевым компонентом систем оптической связи, электро-оптический модулятор (ЭОМ) преобразует электрические сигналы в оптические сигналы и выполняет модуляцию. Его производительность напрямую влияет на скорость передачи, энергопотребление, качество и стабильность всей системы связи.
Ниобат лития (LiNbO₃, LN) — важнейший электро-оптический материал. Благодаря превосходному эффекту Поккельса, высокому показателю преломления (~ 2,2), широкому окну прозрачности (350 нм–5 мкм) и хорошей химической стабильности он пользуется уважением в фотонике как «оптический кремний». С 1960-х годов он широко использовался в электрооптических модуляторах.
Однако, хотя он был незаменим на системном уровне, он оставался вне волны интеграции в масштабе чипа-на три десятилетия. Это связано с тем, что обычные объемные модуляторы ниобата лития полагаются на электрические поля для управления оптической фазой или интенсивностью. Ограниченные физическими свойствами материала и методами обработки, размеры волновода объемного LN составляют порядка миллиметров или сантиметров, что приводит к короткой длине взаимодействия между оптическим и электрическим полями. Для достижения эффективной модуляции требуются высокие напряжения возбуждения (от нескольких до десятков вольт). Большой размер устройства затрудняет интеграцию с кремниевыми фотонными платформами-, что ограничивает его использование в интегрированных оптоэлектронных системах масштаба чипа-. Кроме того, традиционные производственные процессы страдают от высоких потерь при распространении в волноводах, что еще больше ограничивает энергоэффективность и передачу на большие расстояния. В результате такие платформы, как кремниевая фотоника, InP и SiN, приобрели известность, а LN когда-то считалась «отличной производительностью, но ее нельзя сделать маленькой или плотной».
Прорыв в технологии тонких-пленок, который появляется именно тогда, когда этого требует спрос
Поворотным моментом стало развитие технологии тонкопленочного ниобата лития (TFLN). В основе ТФЛН лежит гетероструктура «ниобат лития–изолятор–подложка». Используя передовые методы изготовления, такие как нарезка кристаллических ионов и химико-механическая полировка, тонкая пленка -монокристалла LN отделяется от основного материала и переносится на подложку (кремний, сапфир или диоксид кремния). По сравнению с объемным материалом суб-волноводы TFLN обеспечивают гораздо более сильное ограничение оптического поля, увеличивая эффективность взаимодействия света и электрического поля в десятки раз, тем самым значительно снижая возбуждающее напряжение и уменьшая размер устройства. Кроме того, низкие потери на распространение TFLN дают ему уникальное преимущество в-фотонных интегральных схемах дальнего действия, а его совместимость с кремниевыми-платформами открывает новые пути для гетерогенной интегрированной фотоники.
Давайте посмотрим на несколько ключевых показателей, чтобы понять, почему его «внезапно» раскупили в эпоху 1,6T/3,2T:
① Пропускная способность: легко превышает 100 ГГц и приближается к 200 ГГц.
② Потребляемая мощность: всего около десятков фемтоджоулей на бит (фДж/бит).
③ Качество сигнала: низкие вносимые потери, минимальный чирп, отличная линейность.
④ Универсальность: единая платформа, поддерживающая электро-оптические, нелинейные и квантовые приложения.
Что касается отраслевого спроса, то с резким ростом вычислительной мощности ИИ оптические межсоединения в центрах обработки данных переходят от 400G к 800G/1,6T/3,2T, а это именно та эпоха, которая нуждается в TFLN. Возьмем, к примеру, актуальную горячую тему совместной-оптической оптики (CPO): она перемещает оптический механизм из подключаемого модуля передней-панели на ту же подложку корпуса, что и микросхема коммутатора/ASIC. После того как NVIDIA массово-выпустила решения CPO для своих серий Spectrum-X и Quantum, данные измерений показали ошеломляющие результаты-вносимые потери снизились примерно с 22 дБ до примерно 4 дБ, целостность сигнала улучшилась примерно в 63 раза, а эффективность оптической мощности системы увеличилась почти в 5 раз.
Но CPO – это не просто «перемещение» существующих оптических модулей. Объем корпуса резко сокращается, бюджет мощности сокращается до минимума, условия рассеивания тепла ухудшаются, а электрическая среда становится чрезвычайно жесткой.-Каждое устройство внутри оптического механизма работает на пределе своих физических возможностей. В условиях этого нового набора ограничений TFLN наступил идеальный момент, превратившись из «эталона производительности» в «инженерную необходимость».
Короче говоря, причина того, что тонкая-пленка ниобата лития стала такой горячей, заключается не только в том, что ее сделали тоньше,-но и в том, что здание вычислительной мощности наконец поднялось до пола, где TFLN должен служить несущей-стеной.