Не тако давно, Џенсен Хуанг из компаније НВИДИА изјавио је да ће следећа{0}}генерација АИ инфраструктуре захтевати огромне количине оптичког повезивања, пошто бакарни каблови више не могу да испуне захтеве. Ово није претеривање.
Закорачимо у свет светлости
Са брзим развојем информационих технологија, глобални промет података расте експоненцијално, а потражња за капацитетом информација и процесорском снагом наставља да расте. Вођени новим технологијама као што су 5Г комуникације, Интернет ствари, рачунарство у облаку, велики подаци и вештачка интелигенција, традиционални електронски комуникациони системи се све више суочавају са уским грлима у пропусном опсегу и високом потрошњом енергије. Оптичка комуникациона технологија, са својим значајним предностима великог пропусног опсега, малим губицима и отпорношћу на електромагнетне сметње, постала је кључно решење за ове изазове. Основни разлог због којег АИ инфраструктура следеће{4}}генерације мора у великој мери да се ослања на оптичке везе је тај што је „зид међуповезивања“ заменио рачунарску снагу као највеће уско грло. Како се ГПУ кластери повећавају до десетина хиљада картица и једно-стопе ка 224Г, бакарни каблови достижу физичка ограничења због скин ефекта и диелектричног губитка, компримујући ефективне удаљености преноса на мање од 2 метра-недовољно за потребе унакрсног{{10}размера у рацк{11}.{11} У исто време, све-оптичке интерконекције могу да смање потрошњу енергије по-биту пропусног опсега за преко 40%, што их чини јединим путем за решавање енергетске кризе у фабрикама вештачке интелигенције.
Литијум ниобат: деценије на хладној клупи
Као кључна компонента оптичких комуникационих система, електро-оптички модулатор (ЕОМ) претвара електричне сигнале у оптичке сигнале и врши модулацију. Његове перформансе директно утичу на брзину преноса, потрошњу енергије, квалитет и стабилност целог комуникационог система.
Литијум ниобат (ЛиНбО₃, ЛН) је кључни електро{0}}оптички материјал. Са својим одличним Покелсовим ефектом, високим индексом преламања (~2,2), широким прозором транспарентности (350 нм–5 μм) и добром хемијском стабилношћу, поштује се у заједници фотоника као „оптички силицијум“. Од 1960-их се широко користи у електро-оптицким модулаторима.
Међутим, иако је био неопходан на нивоу система, био је изостављен из таласа{0}}интеграције чипова три деценије. То је зато што се конвенционални модулатори литијум ниобата ослањају на електрична поља за контролу оптичке фазе или интензитета. Ограничене физичким својствима материјала и техникама обраде, димензије таласовода великог ЛН су реда величине од милиметара до центиметара, што резултира кратком дужином интеракције између оптичког и електричног поља. Да би се постигла ефикасна модулација, потребни су високи погонски напони (неколико до десетина волти). Велика величина уређаја отежава интеграцију са фотонским платформама заснованим на силикону-, ограничавајући његову употребу у интегрисаним оптоелектронским системима са чипом{6}}. Поред тога, конвенционални процеси производње пате од великих губитака у таласоводу, што додатно ограничава енергетску ефикасност и-пренос на велике удаљености. Као резултат тога, платформе као што су силиконска фотоника, ИнП и СиН су постале истакнуте, а ЛН се некада сматрао „одличним перформансама, али се не може учинити малим или густим“.
Пробој технологије танких{0}}филмова, који стиже баш када потражња то тражи
Прекретница је дошла са сазревањем технологије танког филма литијум ниобата (ТФЛН). ТФЛН је заснован на хетероструктури „литијум ниобата–изолатора–супстрата“. Користећи напредне технике производње као што су резање кристалних јона и хемијско механичко полирање, један-кристални ЛН танак филм се ољушти од расутог материјала и пренесе на подлогу (силицијум, сафир или силицијум диоксид). У поређењу са великим материјалом, ТФЛН-ови суб-микронски таласоводи омогућавају много јаче ограничење оптичког поља, повећавајући ефикасност интеракције светло-електрично поље за десетине пута, чиме се значајно смањује напон покретања и смањује величина уређаја. Поред тога, низак губитак простирања ТФЛН-а даје му јединствену предност у -фотонским интегрисаним колима на дугим раздаљинама, а његова компатибилност са платформама заснованим на силицијуму{8}} отвара нове путеве за хетерогену интегрисану фотонику.
Хајде да погледамо неколико кључних показатеља да бисмо разумели зашто је „изненада“ ухваћен у ери 1,6Т/3,2Т:
① Ширина опсега: лако прелази 100 ГХз, крећући се ка 200 ГХз.
② Потрошња енергије: само око десетине фемтоџула по биту (фЈ/бит).
③ Квалитет сигнала: мали губитак уметања, минимално цикање, одлична линеарност.
④ Свестраност: једна платформа која рукује електро-оптичким, нелинеарним и квантним апликацијама.
На страни потражње у индустрији, са АИ рачунарском снагом која експлодира, оптичке интерконекције центара података прелазе са 400Г на 800Г/1.6Т/3.2Т, управо у еру којој је потребан ТФЛН. Узмите актуелну актуелну тему ко-упаковане оптике (ЦПО): она помера оптичку машину са предњег-модула који се може прикључити на исту подлогу за пакет као чип прекидача/АСИЦ. Након што је НВИДИА масовно-произвела ЦПО решења за своје серије Спецтрум-Кс и Куантум, измерени подаци су показали запањујуће резултате-губитак убацивања је пао са око 22 дБ на ~4 дБ, интегритет сигнала је побољшан за фактор од ~63, а ефикасност оптичке енергије система повећана до 5×.
Али ЦПО се не односи само на "премештање" постојећих оптичких модула. Запремина паковања се драстично смањује, буџети за напајање су смањени до кости, услови одвођења топлоте се погоршавају, а електрично окружење постаје изузетно оштро-сваки уређај унутар оптичког мотора је гурнут до својих физичких граница. Под овим новим скупом ограничења, ТФЛН је стигао у савршени тренутак, еволуирајући од „бенцхмарка” до „инжењерске потребе”.
Укратко, разлог зашто је танки{0}}филм литијум ниобата постао толико врућ није само то што је постао тањи-већ зато што се зграда рачунарске снаге коначно подигла до пода где ТФЛН мора да служи као{2}}носиви зид.