Silicon Photonics에 대한 NVIDIA의 견해

현재 AI 모델 및 계산의 폭발적인 성장으로 인해 여러 GPU에서의 병렬 작업이 필요하며 이로 인해 GPU 간의 인터페이스 대역폭이 증가했습니다. 엔비디아는 AI 광모듈 시장에서 가장 직접적인 사용자다. 통합 포토닉스에 대한 몇 가지 요구 사항과 전망을 제시했습니다. 저비용 < $0.25/Gbps, 저전력 소비 < 1.5pJ/b, 장거리 전송 > 500m, 단일 광섬유 고대역폭 > 0.8Tbps, 소형 > 0.5Tbps/ mm2, 높은 신뢰성 < 100 FIT. 다음 그림은 3D 패키징을 사용하는 통합 포토닉스의 아키텍처 다이어그램입니다. 각 IO는 광 전송을 사용하고 전기 칩은 광 칩에서 반전되며 광 칩, GPU, HBM 및 스위치가 동일한 인터포저에 패키지되어 인터포저를 통해 통신합니다.

통합 포토닉스용 아키텍처 다이어그램

이처럼 고밀도 통합 시스템에서는 MRM 기반을 더욱 지원합니다. DWDM 링크. 이는 주로 다음 고려 사항에 기초합니다. 단일 채널 25-50Gbps 전송이 가능하고, 단일 칩 전력 소비는 <1pJ/비트이며, 평균 단일 채널 영역은 50umx50um만큼 작으며, 고밀도 통합을 통해 대용량을 달성할 수 있습니다.

MRM 기반 DWDM 시스템의 주요 과제는 실리콘 포토닉스 장치 성능, 다중 파장 레이저, 통합 패키징, 열 관리 및 제어에 있습니다.

• MRM

DWDM 시스템에서 가장 먼저 해결해야 할 것은 채널 누화입니다. 로렌츠 필터 스펙트럼은 다른 채널에 꼬리가 있는 반면, 포토다이오드 및 기타 구성 요소는 광대역이며 파장 선택성이 없습니다. 따라서 시스템에서 크로스토크는 송신단에서 인접 채널의 변조 영향, 수신단에서 디먹스의 인접 채널 크로스토크, 인접 링 변조로 인한 다중 경로 간섭 ISI에서 발생합니다. MRM에는 일반적으로 균형 잡힌 손실과 변조 대역폭이 필요합니다. 낮은 Q는 대역폭뿐만 아니라 XT도 증가시킵니다. 따라서 채널 간격을 늘리거나 고차 링 필터를 사용하면 효과를 줄일 수 있습니다.

•  레이저

일반적으로 각 광섬유에는 해당 파장이 필요한 8-16개의 채널이 있습니다. 각 광섬유 결합 광학 레이저의 출력 전력은 ~5mW입니다. 결합 손실, 수동 장치 손실 및 전력 소비를 고려하면 효율은 약 10%로 2pJ/b에 해당합니다. 레이저 채널 간격은 100~200GHz이며 온도에 따른 드리프트는 ± 5~10%이며 이는 저비용과 저잡음을 모두 고려합니다. 현재 레이저 종류는 다음과 같으며, 각 기업의 역량에 따라 어떤 것을 채택할지가 결정됩니다.

레이저의 형태

• 2.5D 패키징

결합 격자, 큰 결합 허용 오차, 낮은 스펙트럼 대역폭, 1-2dB 손실, 일반적으로 127-250um 간격을 테스트하고 칩에 패키징할 수 있습니다.

더 높은 결합 정확도, 높은 스펙트럼 대역폭 및 추가 제조 보조 장치(V-그루브, 메타 재료)가 필요한 단면 결합.

위의 두 솔루션 모두 수용 가능하지만 기계적으로 견고해야 합니다. 최상의 프로세스를 달성하려면 독립적인 EIC/PIC를 사용하는 것이 가장 좋습니다. EIC는 PIC에 있고 PIC는 TSV를 사용하여 EIC와 인터포저 통신을 연결합니다. 가장 중요한 것은 전체 구조의 열 관리입니다.

• 열 시뮬레이션

실리콘 포토닉스 칩의 장치 성능은 열에 민감하며 ASIC 및 EIC 칩은 발열량이 높습니다. 아래 그림은 ASIC 전력이 칩에 고르게 분포되고 EIC 전력이 일정하며 열 흐름 온도가 ASIC에서 PIC 및 EIC로 직접 변경되는 시뮬레이션 다이어그램입니다. PIC 및 ASIC에 플라스틱을 직접 추가하면 우수한 절연 효과를 얻을 수 있으며 온도 상승은 10K를 초과하지 않습니다. 모니터링 필름을 통한 온칩 MRM과 인접 MRM의 온도 변화는 각각 11K와 0.7K입니다.