Неотдавна Дженсън Хуанг от NVIDIA заяви, че инфраструктурата на ИИ от следващо-поколение ще изисква огромно количество оптична свързаност, тъй като медните кабели вече не могат да отговорят на изискванията. Това не е никакво преувеличение.
Ние стъпваме в свят на светлина
С бързото развитие на информационните технологии глобалният трафик на данни нараства експоненциално и търсенето на информационен капацитет и мощност на обработка продължава да расте. Водени от нововъзникващи технологии като 5G комуникации, Интернет на нещата, облачни изчисления, големи данни и изкуствен интелект, традиционните електронни комуникационни системи все повече се сблъскват с тесни места в честотната лента и висока консумация на енергия. Оптичната комуникационна технология, със своите значителни предимства на висока честотна лента, ниски загуби и устойчивост на електромагнитни смущения, се превърна в ключово решение на тези предизвикателства. Основната причина, поради която ИИ инфраструктурата от следващо-поколение трябва да разчита в голяма степен на оптични връзки, е, че „стената на взаимното свързване“ замени изчислителната мощност като най-голямото пречка. Тъй като GPU клъстерите се мащабират до десетки хиляди карти и скоростите на един-канал се насочват към 224G, медното окабеляване достига физически ограничения поради скин-ефекта и диелектричните загуби, компресирайки ефективните разстояния на предаване до по-малко от 2 метра-недостатъчни за нуждите на кръстосано-раково мащабиране-извън. В същото време всички-оптични връзки могат да намалят консумацията на енергия на-битова честотна лента с над 40%, което ги прави единственият път за разрешаване на енергийната криза във фабриките за изкуствен интелект.
Литиев ниобат: Десетилетия на студена пейка
Като ключов компонент на оптичните комуникационни системи, електро{0}}оптичният модулатор (EOM) преобразува електрически сигнали в оптични сигнали и извършва модулация. Неговата производителност пряко влияе върху скоростта на предаване, консумацията на енергия, качеството и стабилността на цялата комуникационна система.
Литиевият ниобат (LiNbO₃, LN) е важен електро{0}}оптичен материал. Със своя отличен ефект на Покелс, висок индекс на пречупване (~2,2), широк прозорец на прозрачност (350 nm–5 μm) и добра химическа стабилност, той е уважаван в общността на фотониката като "оптичен силиций". От 60-те години на миналия век той се използва широко в електро-оптични модулатори.
Въпреки това, въпреки че беше незаменим на системно ниво, той беше оставен извън вълната на интеграция на чипов-мащаб в продължение на три десетилетия. Това е така, защото конвенционалните насипни модулатори на литиев ниобат разчитат на електрически полета, за да контролират оптичната фаза или интензитет. Ограничени от физическите свойства на материала и техниките за обработка, размерите на вълновода на насипния LN са от порядъка на милиметри до сантиметри, което води до къса дължина на взаимодействие между оптичните и електрическите полета. За да се постигне ефективна модулация, са необходими високи управляващи напрежения (няколко до десетки волта). Големият размер на устройството затруднява интегрирането му с фотонни платформи,-базирани на силиций, което ограничава използването му в интегрирани оптоелектронни системи-в мащаб на чип. Освен това, конвенционалните производствени процеси страдат от големи загуби при разпространение на вълновод, което допълнително ограничава енергийната ефективност и предаването на дълги-разстояния. В резултат на това платформи като силициева фотоника, InP и SiN станаха известни, а LN някога се смяташе за „страхотна производителност, но не може да бъде направена малка или плътна“.
Пробивът на технологията за тънко{0}}слойно фолио, пристигащ точно когато търсенето го изисква
Повратната точка дойде със съзряването на технологията за тънък-слоен литиев ниобат (TFLN). TFLN се основава на хетероструктура от "литиев ниобат–изолатор–субстрат". Използвайки усъвършенствани производствени техники, като нарязване на кристални йони и химическо механично полиране, единичен-кристален LN тънък филм се отлепва от насипния материал и се прехвърля върху субстрат (силиций, сапфир или силициев диоксид). В сравнение с насипния материал, под-микронните вълноводи на TFLN позволяват много по-силно ограничаване на оптичното поле, увеличавайки ефективността на взаимодействието светлина-електрическо поле десетки пъти, като по този начин значително понижават задвижващото напрежение и намаляват размера на устройството. В допълнение, ниските загуби при разпространение на TFLN му дават уникално предимство при фотонни интегрални схеми-на дълги разстояния, а съвместимостта му с базирани на силиций-платформи отваря нови пътища за хетерогенна интегрирана фотоника.
Нека да разгледаме няколко ключови показателя, за да разберем защо е "внезапно" разграбен в ерата на 1.6T/3.2T:
① Честотна лента: лесно надхвърля 100 GHz, насочвайки се към 200 GHz.
② Консумация на енергия: само около десетки фемтоджаули на бит (fJ/бит).
③ Качество на сигнала: ниска загуба на вмъкване, минимално чуруликане, отлична линейност.
④ Гъвкавост: една платформа, която обработва електро-оптични, нелинейни и квантови приложения.
От страна на търсенето в индустрията, с нарастващата изчислителна мощност на AI, оптичните връзки на центровете за данни преминават от 400G към 800G/1.6T/3.2T, точно ерата, която се нуждае от TFLN. Вземете текущата гореща тема за ко-опакованата оптика (CPO): тя премества оптичния двигател от предния-включваем модул на панела върху същия субстрат на пакета като превключващия чип/ASIC. След като NVIDIA масово-произведе CPO решения за своите серии Spectrum-X и Quantum, измерените данни показаха зашеметяващи резултати-загубата на вмъкване спадна от около 22 dB на ~4 dB, целостта на сигнала се подобри с коефициент ~63 и ефективността на оптичната мощност на системата се увеличи с до 5 пъти.
Но CPO не е просто "преместване" на съществуващи оптични модули. Обемът на пакета се свива драстично, енергийните бюджети се съкращават до мозъка на костите, условията за разсейване на топлината се влошават и електрическата среда става изключително сурова-всяко устройство в оптичния двигател е изтласкано до физическите си граници. При този нов набор от ограничения, TFLN достигна идеалния момент, развивайки се от „бенчмарк за производителност“ до „инженерна необходимост“.
Накратко, причината, поради която тънко{0}}слойният литиев ниобат е станал толкова горещ, не е само, че е бил направен по-тънък-а защото сградата на изчислителната мощност най-накрая се е издигнала до пода, където TFLN трябва да служи като-носеща стена.