Nog niet zo lang geleden verklaarde Jensen Huang van NVIDIA dat de AI-infrastructuur van de volgende-generatie enorme hoeveelheden optische connectiviteit zal vereisen, omdat koperen bekabeling niet langer aan de eisen kan voldoen. Dit is geen overdrijving.
We stappen een wereld van licht binnen
Met de snelle ontwikkeling van de informatietechnologie groeit het mondiale dataverkeer exponentieel en blijft de vraag naar informatiecapaciteit en verwerkingskracht stijgen. Gedreven door opkomende technologieën zoals 5G-communicatie, het internet der dingen, cloud computing, big data en kunstmatige intelligentie, worden traditionele elektronische communicatiesystemen steeds vaker geconfronteerd met knelpunten in de bandbreedte en een hoog energieverbruik. Optische communicatietechnologie, met zijn aanzienlijke voordelen van hoge bandbreedte, laag verlies en immuniteit voor elektromagnetische interferentie, is een belangrijke oplossing voor deze uitdagingen geworden. De belangrijkste reden waarom de AI-infrastructuur van de volgende{4}}generatie sterk afhankelijk moet zijn van optische verbindingen is dat de 'interconnectiemuur' de rekenkracht als grootste knelpunt heeft vervangen. Terwijl GPU-clusters opschalen naar tienduizenden kaarten en de single{6}}-kanaalsnelheden richting 224G gaan, stuiten koperen kabels op fysieke grenzen als gevolg van skin-effect en diëlektrisch verlies, waardoor de effectieve transmissieafstanden worden gecomprimeerd tot minder dan 2 meter, -onvoldoende voor -rack-schaal-behoeften. Tegelijkertijd kunnen alle-optische verbindingen het energieverbruik per-bit bandbreedte met ruim 40% verminderen, waardoor ze de enige manier zijn om de energiecrisis in AI-fabrieken op te lossen.
Lithiumniobaat: decennia op de koude bank
Als sleutelcomponent van optische communicatiesystemen zet de elektro-optische modulator (EOM) elektrische signalen om in optische signalen en voert modulatie uit. De prestaties ervan hebben rechtstreeks invloed op de transmissiesnelheid, het energieverbruik, de kwaliteit en de stabiliteit van het gehele communicatiesysteem.
Lithiumniobaat (LiNbO₃, LN) is een cruciaal elektro-optisch materiaal. Met zijn uitstekende Pockels-effect, hoge brekingsindex (~2,2), breed transparantievenster (350 nm – 5 μm) en goede chemische stabiliteit, wordt het in de fotonicagemeenschap gerespecteerd als 'optisch silicium'. Sinds de jaren zestig wordt het veel gebruikt in elektro-optische modulators.
Hoewel het op systeemniveau onmisbaar was, bleef het drie decennia lang buiten de golf van integratie op chip-schaal. Dit komt omdat conventionele bulklithiumniobaatmodulatoren afhankelijk zijn van elektrische velden om de optische fase of intensiteit te regelen. Beperkt door de fysieke eigenschappen en verwerkingstechnieken van het materiaal, liggen de afmetingen van de golfgeleider van bulk-LN in de orde van millimeters tot centimeters, wat resulteert in een korte interactielengte tussen de optische en elektrische velden. Om effectieve modulatie te bereiken zijn hoge stuurspanningen (enkele tot tientallen volts) vereist. De grote omvang van het apparaat maakt het moeilijk om te integreren met op silicium-gebaseerde fotonische platforms, waardoor het gebruik ervan in geïntegreerde opto-elektronische systemen op chip-schaal wordt beperkt. Bovendien hebben conventionele fabricageprocessen te lijden onder hoge voortplantingsverliezen van de golfgeleider, waardoor de energie-efficiëntie en de transmissie over lange- afstanden verder worden beperkt. Als gevolg hiervan kwamen platforms zoals siliciumfotonica, InP en SiN op de voorgrond, en werd LN ooit beschouwd als "geweldige prestaties, maar kan niet klein of compact worden gemaakt".
De doorbraak van dunne-filmtechnologie, die verschijnt precies op het moment dat de vraag erom vraagt
Het keerpunt kwam met de rijping van de dunne-film-lithiumniobaattechnologie (TFLN). TFLN is gebaseerd op een heterostructuur van "lithiumniobaat-isolator-substraat." Met behulp van geavanceerde fabricagetechnieken zoals het snijden van kristalionen en chemisch-mechanisch polijsten, wordt een enkele- dunne film van kristal-LN van het bulkmateriaal afgepeld en overgebracht op een substraat (silicium, saffier of siliciumdioxide). Vergeleken met bulkmateriaal maken de sub-microngolfgeleiders van TFLN een veel sterkere optische veldopsluiting mogelijk, waardoor de licht-elektrische veldinteractie-efficiëntie tientallen keren toeneemt, waardoor de aandrijfspanning aanzienlijk wordt verlaagd en de apparaatgrootte wordt verkleind. Bovendien geeft het lage voortplantingsverlies van TFLN het een uniek voordeel in fotonische geïntegreerde schakelingen over lange afstanden, en de compatibiliteit ervan met op silicium-gebaseerde platforms opent nieuwe wegen voor heterogene geïntegreerde fotonica.
Laten we eens kijken naar een paar belangrijke statistieken om te begrijpen waarom het ‘plotseling’ wordt opgepikt in het 1,6T/3,2T-tijdperk:
① Bandbreedte: overschrijdt gemakkelijk 100 GHz, richting 200 GHz.
② Stroomverbruik: slechts ongeveer tientallen femtojoules per bit (fJ/bit).
③ Signaalkwaliteit: laag invoegverlies, minimaal piepgeluid, uitstekende lineariteit.
④ Veelzijdigheid: één platform dat elektro-optische, niet-lineaire en kwantumtoepassingen verwerkt.
Aan de vraagkant van de industrie gaan, nu de rekenkracht van AI explosief toeneemt, de optische verbindingen in datacenters van 400G naar 800G/1,6T/3,2T, precies het tijdperk waarin TFLN nodig is. Neem het huidige actuele onderwerp van co-verpakte optica (CPO): het verplaatst de optische engine van de insteekbare module op het voor-paneel naar hetzelfde pakketsubstraat als de schakelchip/ASIC. Nadat NVIDIA CPO-oplossingen massaal-op de Spectrum-X- en Quantum-serie had geproduceerd, lieten gemeten gegevens verbluffende resultaten zien-het invoegverlies daalde van ongeveer 22 dB naar ~4 dB, de signaalintegriteit verbeterde met een factor ~63 en de optische energie-efficiëntie van het systeem nam toe met maximaal 5×.
Maar CPO gaat niet alleen over het "verplaatsen" van bestaande optische modules. Het pakketvolume krimpt drastisch, de energiebudgetten worden tot op het bot bezuinigd, de omstandigheden voor warmteafvoer worden erger en de elektrische omgeving wordt extreem zwaar.-Elk apparaat in de optische motor wordt tot het uiterste gedreven. Onder deze nieuwe reeks beperkingen is TFLN op het perfecte moment aangekomen, en evolueert van een ‘prestatiebenchmark’ naar een ‘technische noodzaak’.
Kortom, de reden dat dunne{0}}filmlithiumniobaat zo heet is geworden, is niet alleen omdat het dunner is gemaakt-maar omdat het gebouw van de rekenkracht eindelijk op de grond is terechtgekomen waar TFLN moet dienen als de dragende muur-.