Pirms neilga laika NVIDIA pārstāvis Džensens Huangs paziņoja, ka nākamās-paaudzes AI infrastruktūrai būs nepieciešams milzīgs optiskā savienojuma apjoms, jo vara kabeļi vairs neatbilst prasībām. Tas nav pārspīlēts.
Mēs ieejam gaismas pasaulē
Strauji attīstoties informācijas tehnoloģijām, globālā datu plūsma pieaug eksponenciāli, un pieprasījums pēc informācijas jaudas un apstrādes jaudas turpina pieaugt. Tādas jaunās tehnoloģijas kā 5G sakari, lietiskais internets, mākoņdatošana, lielie dati un mākslīgais intelekts virza tradicionālās elektroniskās sakaru sistēmas arvien biežāk saskaras ar joslas platuma sastrēgumiem un lielu enerģijas patēriņu. Optisko sakaru tehnoloģija ar ievērojamām priekšrocībām, proti, lielu joslas platumu, zemu zudumu un imunitāti pret elektromagnētiskajiem traucējumiem, ir kļuvusi par galveno risinājumu šīm problēmām. Galvenais iemesls, kāpēc nākamās-paaudzes AI infrastruktūrai ir lielā mērā jāpaļaujas uz optiskajiem savienojumiem, ir tas, ka "starpsavienojumu siena" ir aizstājusi skaitļošanas jaudu kā lielāko vājo vietu. Tā kā GPU kopas mērogojas līdz desmitiem tūkstošu karšu un viena{6}}kanāla ātrums virzās uz 224G, vara kabeļi saskaras ar fiziskām robežām apvalka efekta un dielektrisko zudumu dēļ, saspiežot efektīvus pārraides attālumus līdz mazāk nekā 2 metriem-nepietiekot šķērss{10}}statīva mērogošanas{{11} vajadzībām. Tajā pašā laikā visi-optiskie starpsavienojumi var samazināt enerģijas patēriņu uz-bitu joslas platumā par vairāk nekā 40%, padarot tos par vienīgo ceļu enerģijas krīzes risināšanai mākslīgā intelekta rūpnīcās.
Litija niobāts: gadu desmiti uz aukstā sola
Elektro{0}}optiskais modulators (EOM) pārvērš elektriskos signālus optiskajos signālos un veic modulāciju kā optisko sakaru sistēmu galvenā sastāvdaļa. Tās veiktspēja tieši ietekmē pārraides ātrumu, enerģijas patēriņu, kvalitāti un visas sakaru sistēmas stabilitāti.
Litija niobāts (LiNbO₃, LN) ir būtisks elektro{0}}optiskais materiāls. Ar savu lielisko Pockels efektu, augstu refrakcijas indeksu (~ 2,2), plašo caurspīdīguma logu (350 nm–5 μm) un labu ķīmisko stabilitāti fotonikas aprindās tas tiek cienīts kā "optiskais silīcijs". Kopš 1960. gadiem to plaši izmanto elektro-optiskajos modulatoros.
Tomēr, lai gan tas bija neaizstājams sistēmas līmenī, tas trīs gadu desmitus netika iekļauts mikroshēmu{0}}mēroga integrācijas vilnī. Tas ir tāpēc, ka parastie lielapjoma litija niobāta modulatori optiskās fāzes vai intensitātes kontrolei paļaujas uz elektriskiem laukiem. Materiāla fizikālo īpašību un apstrādes metožu ierobežojumu dēļ lielapjoma LN viļņvada izmēri ir no milimetriem līdz centimetriem, kā rezultātā optiskā un elektriskā lauka mijiedarbības garums ir īss. Lai panāktu efektīvu modulāciju, ir nepieciešams augsts piedziņas spriegums (no vairākiem līdz desmitiem voltu). Ierīces lielais izmērs apgrūtina integrāciju ar fotoniskām platformām, kuru pamatā ir silīcija{5}}, ierobežojot tās izmantošanu mikroshēmu{6} mēroga integrētajās optoelektroniskajās sistēmās. Turklāt tradicionālie ražošanas procesi cieš no lieliem viļņvada izplatīšanās zudumiem, kas vēl vairāk ierobežo energoefektivitāti un pārraidi lielos{8}} attālumos. Rezultātā platformas, piemēram, silīcija fotonika, InP un SiN, kļuva arvien populārākas, un LN kādreiz tika uzskatīts par "lielisku veiktspēju, taču to nevar padarīt mazu vai blīvu".
Plāno{0}}filmu tehnoloģiju izrāviens, kas parādās tieši tā, kā to prasa pieprasījums
Pagrieziena punkts notika plānās{0}}litija niobāta (TFLN) tehnoloģijas nobriešanas laikā. TFLN pamatā ir "litija niobāta-izolatora-substrāta" heterostruktūra. Izmantojot progresīvas ražošanas metodes, piemēram, kristāla jonu sagriešana un ķīmiski mehāniskā pulēšana, viena -kristāla LN plānā plēve tiek nolobīta no lielapjoma materiāla un pārnesta uz substrāta (silīcija, safīra vai silīcija dioksīda). Salīdzinot ar beztaras materiāliem, TFLN sub-mikronu viļņvadi nodrošina daudz spēcīgāku optiskā lauka ierobežošanu, desmitiem reižu palielinot gaismas un elektriskā lauka mijiedarbības efektivitāti, tādējādi ievērojami samazinot piedziņas spriegumu un ierīces izmēru. Turklāt TFLN zemais izplatīšanās zudums sniedz tai unikālas priekšrocības tālsatiksmes{7}}fotoniskajās integrālajās shēmās, un tā saderība ar platformām, kuru pamatā ir silīcijs{8}}, paver jaunus ceļus neviendabīgai integrētajai fotonikai.
Apskatīsim dažus galvenos rādītājus, lai saprastu, kāpēc 1,6 T/3,2 T laikmetā tas tiek “pēkšņi” uzlauzts:
① Joslas platums: viegli pārsniedz 100 GHz, virzoties uz 200 GHz.
② Enerģijas patēriņš: tikai aptuveni desmitiem femtojoulu bitā (fJ/bit).
③ Signāla kvalitāte: zems ievietošanas zudums, minimāls čivināt, lieliska linearitāte.
④ Daudzpusība: viena platforma, kas apstrādā elektro-optikas, nelineāras un kvantu lietojumprogrammas.
Nozares pieprasījuma pusē, AI skaitļošanas jaudai strauji pieaugot, datu centru optiskie starpsavienojumi pāriet no 400 G uz 800 G/1,6 T/3,2 T — tieši laikmetā, kurā ir nepieciešams TFLN. Ņemiet vērā pašreizējo aktuālo tēmu par kop-paketēto optiku (CPO): tā pārvieto optisko dzinēju no priekšējā-paneļa pieslēdzamā moduļa uz to pašu pakotnes substrātu, kurā atrodas slēdža mikroshēma/ASIC. Pēc tam, kad NVIDIA masveidā{8}}ražoja CPO risinājumus savās Spectrum-X un Quantum sērijās, izmērītie dati uzrādīja satriecošus rezultātus,{10}}ievietošanas zudumi samazinājās no aptuveni 22 dB līdz ~4 dB, signāla integritāte uzlabojās par ~63 faktoru un sistēmas optiskās jaudas efektivitāte palielinājās līdz pat 5 reizēm.
Bet CPO nav tikai esošo optisko moduļu "pārvietošana". Iepakojuma apjoms krasi sarūk, jaudas budžets tiek samazināts līdz kaulam, siltuma izkliedes apstākļi pasliktinās, un elektriskā vide kļūst ārkārtīgi skarba-katra optiskā dzinēja ierīce tiek nospiesta līdz savām fiziskajām robežām. Saskaņā ar šo jauno ierobežojumu kopumu TFLN ir pienācis ideālā brīdī, attīstoties no "veiktspējas etalona" par "inženierijas nepieciešamību".
Īsāk sakot, iemesls, kāpēc plānās{0}}plēves litija niobāts ir kļuvis tik karsts, nav tikai tāpēc, ka tas ir kļuvis plānāks-, bet gan tāpēc, ka skaitļošanas jaudas celtne beidzot ir pacēlusies līdz grīdai, kur TFLN jākalpo kā nesošā siena-.