Nedolgo nazaj je Jensen Huang iz NVIDIA izjavil, da bo infrastruktura umetne inteligence naslednje-generacije zahtevala ogromne količine optične povezljivosti, saj bakreni kabli ne morejo več zadostiti zahtevam. To ni nobeno pretiravanje.
Stopamo v svet svetlobe
S hitrim razvojem informacijske tehnologije svetovni podatkovni promet eksponentno narašča, povpraševanje po informacijski zmogljivosti in procesorski moči pa še naprej narašča. Zaradi nastajajočih tehnologij, kot so komunikacije 5G, internet stvari, računalništvo v oblaku, veliki podatki in umetna inteligenca, se tradicionalni elektronski komunikacijski sistemi vse pogosteje soočajo z ozkimi grli pasovne širine in visoko porabo energije. Optična komunikacijska tehnologija s svojimi pomembnimi prednostmi visoke pasovne širine, nizke izgube in odpornosti na elektromagnetne motnje je postala ključna rešitev za te izzive. Glavni razlog, zakaj se mora infrastruktura umetne inteligence naslednje-generacije močno zanašati na optične povezave, je, da je »medpovezovalni zid« nadomestil računalniško moč kot največje ozko grlo. Ko se gruče GPE povečajo na desettisoče kartic in se hitrosti posameznega-kanala usmerijo proti 224G, bakreni kabli dosežejo fizične omejitve zaradi kožnega učinka in dielektričnih izgub, s čimer stisnejo efektivne razdalje prenosa na manj kot 2 metra-nezadostno za potrebe navzkrižnega-razširitvenega-omaja. Hkrati lahko vse-optične povezave zmanjšajo porabo energije na-bitno pasovno širino za več kot 40 %, zaradi česar so edina pot za rešitev energetske krize v tovarnah z umetno inteligenco.
Litijev niobat: desetletja na hladni klopi
Elektro{0}}optični modulator (EOM) kot ključna komponenta optičnih komunikacijskih sistemov pretvarja električne signale v optične signale in izvaja modulacijo. Njegovo delovanje neposredno vpliva na hitrost prenosa, porabo energije, kakovost in stabilnost celotnega komunikacijskega sistema.
Litijev niobat (LiNbO₃, LN) je ključen elektro{0}}optični material. S svojim odličnim Pockelsovim učinkom, visokim lomnim količnikom (~2,2), širokim oknom prosojnosti (350 nm–5 μm) in dobro kemično stabilnostjo ga v skupnosti fotonike spoštujejo kot "optični silicij". Od leta 1960 se pogosto uporablja v elektro-optičnih modulatorjih.
Kljub temu, da je bil nepogrešljiv na sistemski ravni, je bil tri desetletja izpuščen iz vala integracije obsega čip{0}}. To je zato, ker se običajni modulatorji litijevega niobata zanašajo na električna polja za nadzor optične faze ali intenzitete. Omejene s fizikalnimi lastnostmi materiala in tehnikami obdelave so dimenzije valovoda množičnega LN reda milimetrov do centimetrov, kar ima za posledico kratko interakcijsko dolžino med optičnim in električnim poljem. Za doseganje učinkovite modulacije so potrebne visoke pogonske napetosti (od nekaj do deset voltov). Velika velikost naprave otežuje integracijo s fotonskimi platformami-na osnovi silicija, kar omejuje njeno uporabo v integriranih optoelektronskih sistemih-v obsegu čipov. Poleg tega običajni postopki izdelave trpijo zaradi velikih izgub pri širjenju valovodov, kar dodatno omejuje energetsko učinkovitost in prenos-na velike razdalje. Posledično so platforme, kot so silicijeva fotonika, InP in SiN, postale pomembne, LN pa je nekoč veljal za "odlično zmogljiv, vendar ga ni mogoče narediti majhnega ali gostega."
Preboj tehnologije tank{0}}filma, ki prihaja ravno, ko to zahteva povpraševanje
Preobrat je prišel z dozorevanjem tehnologije tank{0}}plastnega litijevega niobata (TFLN). TFLN temelji na heterostrukturi "litijev niobat–izolator–substrat." Z uporabo naprednih tehnik izdelave, kot sta rezanje kristalnih ionov in kemično mehansko poliranje, se en-kristalni tanek film LN odlušči od razsutega materiala in prenese na substrat (silicij, safir ali silicijev dioksid). V primerjavi z razsutim materialom sub-mikronski valovod TFLN omogoča veliko močnejšo omejitev optičnega polja, kar več desetkrat poveča učinkovitost interakcije svetlobno-električno polje, s čimer se znatno zniža pogonska napetost in zmanjša velikost naprave. Poleg tega nizka izguba pri širjenju TFLN daje edinstveno prednost v-fotonskih integriranih vezjih na dolge razdalje, njegova združljivost s platformami, ki temeljijo na siliciju-, pa odpira nove poti za heterogeno integrirano fotoniko.
Oglejmo si nekaj ključnih meritev, da bi razumeli, zakaj so ga v dobi 1,6T/3,2T "nenadoma" pograbili:
① Pasovna širina: zlahka preseže 100 GHz in se usmeri proti 200 GHz.
② Poraba energije: le okoli desetine femtodžulov na bit (fJ/bit).
③ Kakovost signala: nizka vstavljena izguba, minimalen čirp, odlična linearnost.
④ Vsestranskost: ena platforma, ki obravnava elektro{0}}optične, nelinearne in kvantne aplikacije.
Na strani povpraševanja v industriji se z eksplozivno rastjo računalniške moči AI optične povezave podatkovnih centrov premikajo s 400G na 800G/1,6T/3,2T, kar je točno obdobje, ki potrebuje TFLN. Vzemimo trenutno vročo temo ko-zapakirane optike (CPO): premakne optični motor iz vtični{-modula sprednje plošče na isto podlago paketa kot stikalni čip/ASIC. Potem ko je NVIDIA množično-proizvedla rešitve CPO v svojih serijah Spectrum-X in Quantum, so izmerjeni podatki pokazali osupljive rezultate-vstavljena izguba se je zmanjšala s približno 22 dB na ~4 dB, celovitost signala se je izboljšala za faktor ~63, učinkovitost optične moči sistema pa se je povečala do 5-krat.
Toda pri CPO ne gre le za "premestitev" obstoječih optičnih modulov. Prostornina paketa se drastično skrči, proračuni za napajanje so skrajšani do kosti, pogoji za odvajanje toplote se poslabšajo, električno okolje pa postane izjemno ostro-vsaka naprava v optičnem motorju je potisnjena do svojih fizičnih meja. V skladu s tem novim nizom omejitev je TFLN prišel v popoln trenutek in se razvil iz "merila uspešnosti" v "inženirsko nujnost".
Skratka, razlog za to, da se je tank{0}}plast litijevega niobata tako segrel, ni samo to, da so ga tanj-ampak zato, ker se je zgradba računalniške moči končno dvignila do tal, kjer mora TFLN služiti kot-nosilna stena.