Nem sokkal ezelőtt az NVIDIA munkatársa, Jensen Huang kijelentette, hogy a következő generációs mesterségesintelligencia-infrastruktúra hatalmas mennyiségű optikai csatlakozást igényel, mivel a rézkábel már nem tudja kielégíteni az igényeket. Ez nem túlzás.
A fény világába lépünk
Az információs technológia rohamos fejlődésével a globális adatforgalom exponenciálisan növekszik, az információs kapacitás és a feldolgozási teljesítmény iránti igény pedig folyamatosan növekszik. Az olyan feltörekvő technológiák, mint az 5G-kommunikáció, a dolgok internete, a számítási felhő, a big data és a mesterséges intelligencia által vezérelve, a hagyományos elektronikus kommunikációs rendszerek egyre gyakrabban szembesülnek a sávszélesség szűk keresztmetszeteivel és a magas energiafogyasztással. Az optikai kommunikációs technológia a nagy sávszélességgel, az alacsony veszteséggel és az elektromágneses zavarokkal szembeni ellenálló képességgel rendelkező jelentős előnyökkel a kulcsfontosságú megoldást kínálja ezekre a kihívásokra. A következő generációs mesterségesintelligencia-infrastruktúrának nagymértékben az optikai kapcsolatokra kell támaszkodnia, mivel az „összekötő fal” a számítási teljesítményt váltotta fel, mint a legnagyobb szűk keresztmetszetet. Mivel a GPU-fürtök akár több tízezer kártyát is méreteznek, és az egy-csatornás sebesség a 224G felé halad, a rézkábelezés eléri a fizikai korlátokat a bőrhatás és a dielektromos veszteség miatt, így a hatékony átviteli távolságok 2 méternél kisebbre való tömörítése-nem elegendő a cross-rack-kiosztási{{11} szükségletekhez. Ugyanakkor az összes-optikai összeköttetés több mint 40%-kal csökkentheti a bitenkénti sávszélesség-fogyasztást, így ez az egyetlen út az AI-gyárakban az energiaválság megoldásához.
Lítium-niobát: Évtizedek a hidegpadon
Az optikai kommunikációs rendszerek kulcsfontosságú elemeként az elektro{0}}optikai modulátor (EOM) az elektromos jeleket optikai jelekké alakítja, és modulációt hajt végre. Teljesítménye közvetlenül befolyásolja a teljes kommunikációs rendszer átviteli sebességét, energiafogyasztását, minőségét és stabilitását.
A lítium-niobát (LiNbO₃, LN) kulcsfontosságú elektro{0}}optikai anyag. Kiváló Pockels-effektusának, magas törésmutatójának (~2,2), széles átlátszósági ablakának (350 nm–5 μm) és jó kémiai stabilitásának köszönhetően a fotonikai közösség "optikai szilíciumként" tiszteli. Az 1960-as évek óta széles körben alkalmazzák elektro-optikai modulátorokban.
Noha azonban rendszerszinten nélkülözhetetlen volt, három évtizedre kimaradt a chip{0}}léptékű integráció hullámából. Ennek az az oka, hogy a hagyományos ömlesztett lítium-niobát modulátorok elektromos mezőkre támaszkodnak az optikai fázis vagy intenzitás szabályozásához. Az anyag fizikai tulajdonságai és feldolgozási technikái miatt az ömlesztett LN hullámvezető méretei millimétertől centiméterig terjednek, ami rövid kölcsönhatási hosszt eredményez az optikai és az elektromos mező között. A hatékony moduláció eléréséhez nagy (több-tíz volt) hajtófeszültségre van szükség. Az eszköz nagy mérete megnehezíti a szilícium{5}}alapú fotonikus platformokkal való integrációt, ami korlátozza a chip{6}}léptékű integrált optoelektronikai rendszerekben való használatát. Ezenkívül a hagyományos gyártási eljárások nagy hullámvezető terjedési veszteséggel rendelkeznek, ami tovább korlátozza az energiahatékonyságot és a nagy távolságú átvitelt. Ennek eredményeként az olyan platformok, mint a szilícium fotonika, az InP és a SiN, előtérbe kerültek, és az LN-t egykor "nagyszerű teljesítménynek tartották, de nem lehet kicsinyre vagy sűrűre tenni".
A vékony{0}}filmes technológia áttörése éppen úgy érkezik, ahogy a kereslet megkívánja
A fordulópontot a vékonyrétegű lítium-niobát (TFLN) technológia érése hozta{0}. A TFLN a "lítium-niobát-szigetelő-szubsztrát" heterostruktúráján alapul. Speciális gyártási technikák, például kristályion-szeletelés és kémiai mechanikai polírozás segítségével egyetlen-kristály LN vékony filmet vonnak le az ömlesztett anyagról, és egy hordozóra (szilíciumra, zafírra vagy szilícium-dioxidra) viszik át. Az ömlesztett anyagokhoz képest a TFLN szub-mikronos hullámvezetői sokkal erősebb optikai térelzárást tesznek lehetővé, több tízszeresére növelve a fény-elektromos tér kölcsönhatási hatékonyságát, ezáltal jelentősen csökkentve a meghajtó feszültséget és az eszköz méretét. Ezenkívül a TFLN alacsony terjedési vesztesége egyedülálló előnyt biztosít a hosszú távú{7}}fotonikus integrált áramkörökben, és a szilícium-alapú platformokkal való kompatibilitása új utakat nyit a heterogén integrált fotonika számára.
Nézzünk meg néhány kulcsfontosságú mérőszámot, hogy megértsük, miért „hirtelen” felpattan az 1.6T/3.2T korszakban:
① Sávszélesség: könnyen meghaladja a 100 GHz-et, 200 GHz felé tart.
② Energiafogyasztás: csak körülbelül tíz femtojoule bitenként (fJ/bit).
③ Jelminőség: alacsony beillesztési veszteség, minimális csipogás, kiváló linearitás.
④ Sokoldalúság: egyetlen platform, amely elektro{0}}optikai, nemlineáris és kvantum alkalmazásokat kezel.
Az iparági keresleti oldalon a mesterséges intelligencia számítási teljesítményének robbanásszerű növekedésével az adatközpontok optikai összeköttetései 400G-ról 800G/1,6T/3,2T-ra költöznek, pontosan arra a korszakra, ahol szükség van a TFLN-re. Vegyük a co-packed optics (CPO) aktuális témáját: az optikai motort az elülső-panelről csatlakoztatható modulról ugyanarra a csomaghordozóra helyezi, mint a switch chip/ASIC. Miután az NVIDIA tömeg{8}}gyártású CPO-megoldásait a Spectrum-X és Quantum sorozatain, a mért adatok lenyűgöző eredményeket mutattak,{10}}a beillesztési veszteség körülbelül 22 dB-ről ~4 dB-re csökkent, a jel integritása ~63-szorosára javult, a rendszer optikai teljesítménye pedig akár 5-szörösére nőtt.
A CPO azonban nem egyszerűen a meglévő optikai modulok „áthelyezéséről” szól. A csomag térfogata drasztikusan zsugorodik, az energiaköltségek csontig csökkennek, a hőleadás körülményei romlanak, és az elektromos környezet rendkívül durvává válik-az optikai motoron belüli minden eszköz a fizikai korlátaira szorul. Az új korlátok között a TFLN a tökéletes pillanathoz érkezett, a "teljesítmény-benchmark"-ból "mérnöki szükségletté" fejlődött.
Röviden: a vékony-film-lítium-niobát felforrósodása nem csak azért van, mert vékonyabb lett-, hanem az, hogy a számítási teljesítmény építménye végre felemelkedett arra a padlóra, ahol a TFLN-nek teherhordó fal- kell szolgálnia.