Искусственный интеллект: высокопроизводительные вычисления и тенденции в области технологий высокоскоростных оптических модулей

Искусственный интеллект требует чрезвычайно большой вычислительной мощности. В высокопроизводительных вычислительных системах наблюдается четкое расхождение в подходах: масштабируемые системы полагаются на модули медного кабеля, в то время как масштабируемые системы все больше зависят от оптических модулей. В этом году был проведен подробный анализ модулей медного кабеля, используемых для масштабируемых приложений. Напротив, оптические модули доминируют в масштабируемых архитектурах. Традиционные оптические модули с возможностью горячей замены эволюционируют от однополосной конфигурации, работающей на скорости 224 Гбит/с PAM4, к системам, поддерживающим скорости 800 G и 1.6 T.

Между тем, Co-Packaged Optics (CPO) становится важной разработкой. Во всех этих конфигурациях — кабельные модули, традиционные оптические модули с возможностью горячей замены и CPO — задача состоит в том, чтобы перейти от обработки сигнала PAM112 на 4 Гбит/с к оптимизированной высокоскоростной обработке на 224 Гбит/с PAM4. Основные игроки отрасли активно исследуют различные оптоэлектронные чипы и технологии упаковки, направленные на достижение производительности PAM448 на 4 Гбит/с.

По предварительным данным, к 2025 году оптические модули 1.6 Тл начнут внедряться в коммерческих целях, что ознаменует переход этих технологий из области лабораторных исследований в сферу промышленного применения.

Важно отметить, что чистый сигнал данных PAM200 4 Гбит/с после кодирования фактически становится либо PAM212 4 Гбит/с, либо PAM224 4 Гбит/с. Хотя обозначения 200 Гбит/с PAM4, 212 Гбит/с PAM4 и 224 Гбит/с PAM4 могут показаться разными в определенных контекстах, по сути они относятся к одному и тому же базовому уровню производительности.

В отрасли многомодовые системы обычно используют лазеры с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (VCSEL), тогда как одномодовые конфигурации основаны на лазерах с электроабсорбционной модуляцией (EML) или кремниевой фотонике. Существует внутренняя связь преобразования между полосой пропускания частоты сигнала, скоростью передачи данных и скоростью передачи данных. Примечательно, что расширение полосы пропускания, достигаемое VCSEL, немного уступает EML или кремниевой фотонике. В настоящее время сектор многомодовых VCSEL развертывает решения PAM100 на 4 Гбит/с, активно исследуя PAM200 на 4 Гбит/с, тогда как EML и кремниевая фотоника уже развернуты на уровнях PAM200 на 4 Гбит/с, и ведутся исследования по расширению возможностей до 400 Гбит/с PAM4.

Такие компании, как Lumentum, Broadcom, Mitsubishi и Huawei HiSilicon, занимаются разработками в области технологии EML со скоростью 224 Гбит/с, а также оптоэлектронных чипов, которые могут поддерживать скорости, превышающие 300 Гбит/с и даже 400 Гбит/с.

Сопроводительная диаграмма показывает, что полоса пропускания EML HiSilicon достигла 110 ГГц в этом году, что позволяет поддерживать скорости модуляции сигнала выше 400 Гбит/с PAM4. С принятием схем модуляции более высокого порядка, таких как PAM6 и PAM8, становятся возможными скорости передачи данных, превышающие 500 Гбит/с.

Упаковка EML критически связана с ее общей эксплуатационной пропускной способностью, что побуждает к проведению обширных экспериментальных исследований различных методологий упаковки.

Кремниевая фотоника стала предпочтительным технологическим вариантом не только из-за высокого уровня интеграции, но и потому, что она обеспечивает значительную пропускную способность корпусов, примером чего является 3D-корпус кремниевой фотоники компании TSMC.

Хотя кремниевые фотонные модули применяются как в оптических модулях с возможностью горячей замены, так и в системах CPO и в настоящее время работают со скоростью модуляции PAM224 4 Гбит/с, они несколько ограничены по сравнению с пропускной способностью, предлагаемой EML.

Более того, хотя кремниевая фотоника и выглядит многообещающе, ее пропускная способность немного уступает EML. В ответ на это исследователи изучают тонкопленочный ниобат лития (TFLN), который обеспечивает значительно большую оптическую пропускную способность. Цель исследования заключается в том, чтобы определить, можно ли в рамках интегрированной платформы одновременно использовать значительную пропускную способность, предоставляемую процессами упаковки кремниевой фотоники, и реализовать соответствующее улучшение пропускной способности модулятора.

Некоторые производители изучают конструкции модуляторов на основе ниобата лития, которые могут достигать полосы пропускания 100 ГГц и более.

Обработка сигналов PAM224 4 Гбит/с представляет собой значительную проблему. Как оптический чип, так и обработка электрических сигналов печатной платы должны бороться с многочисленными проблемами: паразитными параметрами, связанными с переходными отверстиями, компоновкой и управлением обратным путем дифференциальных сигналов, балансировкой компонентов нечетного и четного режимов, эффектами стекловолокна и перекосом дифференциального сигнала. Эти факторы способствуют возникновению шума, потере сигнала и саморезонансу в схемах печатной платы. Кроме того, оптические модули с возможностью горячей замены сталкиваются с дополнительными ограничениями из-за ограничений в точках контакта разъема относительно частоты.

Проблемы усугубляются на более высоких скоростях, например, 800 г и оптические модули 1.6 Т, где обработка сигнала становится чрезвычайно требовательной. Модуляция PAM4 по своей природе чувствительна к шуму, а процесс кодирования вносит ухудшение примерно на 4.8 дБ в отношение сигнал/шум (SNR).

С ростом частоты наблюдается дальнейшее ухудшение SNR.

Одним из подходов к решению этих проблем является увеличение амплитуды сигнала на уровне микросхемы, например, путем использования дифференциальных конструкций EML, которые эффективно улучшают «числитель» (уровень сигнала) в уравнении SNR.

Наоборот, усилия должны быть направлены на снижение шума, тем самым минимизируя «знаменатель» SNR. 

Помимо оптимизации на уровне чипа, для оптимизации или компенсации SNR используются алгоритмы цифровой обработки сигналов (DSP); однако эти методы обычно приводят к значительному увеличению энергопотребления. Учитывая, что сами оптические модули имеют высокое энергопотребление, эффективное управление температурой имеет важное значение, а решения для жидкостного охлаждения обеспечивают улучшенное рассеивание тепла, что особенно полезно в приложениях ИИ.

Помимо традиционных оптических модулей с возможностью горячей замены, альтернативные подходы, такие как методы лазерной корпусной оптики (LPO), которые устраняют необходимость в DSP, и маломощные конструкции CPO, получили распространение, причем в этом году CPO стали горячей точкой отрасли.

Решения CPO доступны как в одномодовом, так и в многомодовом форматах; многомодовый CPO обычно использует VCSEL в качестве источника света, тогда как одномодовый CPO ориентирован на кремниевую фотонику. Интеграционная технология кремниевой фотоники представляет существенные рыночные возможности как в модулях с возможностью горячей замены, так и в оптических двигателях CPO. Многочисленные производители запустили собственные платформы кремниевой фотоники с рядом вариантов кремния верхнего слоя в таких размерах, как 160 нм, 220 нм, 270 нм, 300 нм и 400 нм. Кроме того, используются различные формы слоев нитрида кремния — как однослойные, так и многослойные. Существуют также разнообразные платформы, которые интегрируют такие технологии, как InP на кремнии, GaAs на кремнии, TFLN (ниобат лития) на кремнии и BTO (титанат бария) на кремнии.

Помимо процессов на уровне кремниевых фотонных пластин, существует широкий спектр конструкций оптических соединений и технологий корпусирования.

Упаковка EML может быть реализована с использованием кремниевых, керамических или стеклянных подложек, в то время как VCSEL могут использовать упаковку на основе смоляных, керамических или стеклянных подложек. Аналогичным образом, упаковка на уровне пластины для интегрированных чипов может быть реализована с использованием кремниевых подложек, локализованных в смоле, полностью кремниевых подложек или стеклянных подложек. Цель состоит в том, чтобы достичь более высокой полосы пропускания радиочастот за счет уменьшения диаметров переходных отверстий и ширины линий — цель, которая по своей сути вносит большую сложность и проблемы надежности в процесс производства.