С ростом спроса на массовые вычисления в таких областях, как искусственный интеллект, связь и автономные транспортные средства, эволюция интегральных схем достигла физического предела в соответствии с законом Мура. Как можно превзойти этот предел? Ответ лежит в области оптики.
В настоящее время многие международные компании активно внедряют технологии кремниевой фотоники. Когда электроника интегрируется с фотонами, это не только решает проблему потери сигнала при передаче, но также считается ключевой технологией, которая может открыть новую эру, революционный мир будущего. Интегральные схемы вмещают миллионы транзисторов в одном кристалле, выполняя различные сложные вычисления. Кремниевая фотоника — это изучение и применение фотонных систем, которые используют кремний в качестве оптической среды. Проще говоря, это технология, которая преобразует «электронные сигналы» в «оптические сигналы» на кремниевой платформе, облегчая передачу как электрических, так и оптических сигналов.
По мере быстрого развития технологий и увеличения скорости компьютерной обработки связь между чипами стала решающим фактором производительности вычислений. Например, при первом запуске ChatGPT возникали проблемы с задержками и перерывами в процессе вопросов и ответов, связанные с проблемами передачи данных. Поэтому, поскольку технология искусственного интеллекта продолжает развиваться, поддержание скорости вычислений является решающим аспектом вступления в эпоху искусственного интеллекта. Кремниевая фотоника потенциально способна повысить скорость оптоэлектронной передачи, решая проблемы потери сигнала и нагрева, связанные с медной проводкой в современных компьютерных компонентах. Поэтому полупроводниковые гиганты, такие как TSMC и Intel, уже вложили средства в соответствующие исследования и разработки.
В этом контексте эксперты TrendForce взяли интервью у доктора Фан Йен Сяна, директора отдела применения оптоэлектронных микроустройств и систем и исследовательских лабораторий электронных и оптоэлектронных систем в Научно-исследовательском институте промышленных технологий (ITRI), чтобы получить представление об этой критически важной технологии.
Какова связь между кремниевой фотоникой и оптическими трансиверами? Модуль оптического приемопередатчика состоит из различных компонентов, включая оптические приемники, усилители, модуляторы и многое другое. Раньше эти компоненты были индивидуально размещались на печатной плате. Однако для снижения энергопотребления, увеличения скорости передачи данных и минимизации потерь при передаче и задержки сигнала эти компоненты были интегрированы в один кремниевый чип. Фанг подчеркивает, что эта интеграция является основой кремниевой фотоники.
Три этапа развития кремниевой фотоники
Обновление традиционных сменных модулей
Кремниевая фотоника спокойно развивается уже более 20 лет. Традиционные подключаемые оптические приемопередатчики очень похожи на интерфейсы USB и подключаются к двум оптическим волокнам — одному для входящего, а другому для исходящего света. Однако путь электрической передачи в подключаемых модулях проходит большое расстояние, прежде чем достигнет коммутатора внутри сервера. Это приводило к значительной потере сигнала на высоких скоростях. Чтобы свести к минимуму эти потери, компоненты были перенесены ближе к коммутатору сервера, что сократило путь электрической передачи. Поэтому оригинальные сменные модули теперь содержат только оптические волокна. Этот подход согласуется с активно развивающейся в отрасли технологией «совмещенной оптики» (CPO). Основная идея состоит в том, чтобы собрать электронные интегральные схемы (EIC) и фотонные интегральные схемы (PIC) на одной подложке, создав совместно упакованную плату, объединяющую чипы и модули. Эта совместная упаковка, известная как CPO (изображенные на рисунке «d» ниже), заменяет оптические приемопередатчики и приближает оптические двигатели к чипам ЦП/ГП (изображенным на рисунке «d» как чипы). Это сокращает пути передачи, минимизирует потери при передаче и уменьшает задержку сигнала.
По данным ITRI, эта технология снижает затраты, увеличивает передачу данных более чем в 8 раз, обеспечивает более чем 30-кратное увеличение вычислительной мощности и экономит 50% энергопотребления. Однако интеграция чипсетов все еще находится в стадии разработки, и совершенствование технологии CPO станет следующим важным шагом в развитии кремниевой фотоники.
Решение проблем передачи данных между процессором и графическим процессором
В настоящее время кремниевая фотоника в первую очередь решает проблемы задержки сигнала сменных модулей. По мере развития технологий следующим этапом будет решение проблем передачи электрического сигнала между центральными и графическими процессорами. Связь между чипами в основном основана на электрических сигналах. Поэтому следующим шагом будет обеспечение внутренней межкристальной связи между графическими процессорами и процессорами с использованием оптических волноводов, преобразующих все электрические сигналы в оптические сигналы для ускорения вычислений ИИ и устранения текущих узких мест в вычислениях.
Наступление эры полностью оптических сетей (AON)
По мере дальнейшего развития технологий мы вступим в эпоху «полностью оптической сети» (AON). Это означает, что вся связь между чипами будет опираться на оптические сигналы, включая случайное хранение, передачу, коммутацию и обработку, причем все они будут передаваться как оптические сигналы. Япония уже активно внедряет кремниевую фотонику в рамках подготовки к полному переходу на полностью оптические сети в этом контексте.
С какими технологическими проблемами в настоящее время сталкивается кремниевая фотоника?
В настоящее время кремниевая фотоника сталкивается с рядом проблем, связанных с интеграцией компонентов. Доктор Фан Йен Сян приводит пример: производители полупроводников понимают электронные процессы, но поскольку характеристики фотонных компонентов чувствительны к таким факторам, как температура и длина пути, а также поскольку ширина линий и расстояние оказывают существенное влияние на передачу оптического сигнала, необходима коммуникационная платформа. Эта платформа будет предоставлять технические характеристики, материалы, параметры и другую информацию для облегчения взаимодействия между производителями электроники и фотоники. Кроме того, кремниевая фотоника в настоящее время применяется на нишевых рынках, а различные процессы упаковки и стандарты материалов все еще разрабатываются. Большинство предприятий по производству пластин, которые производят чипы кремниевой фотоники, относятся к сфере индивидуальных услуг и могут быть непригодны для использования другими клиентами. Отсутствие единой платформы может помешать развитию технологии кремниевой фотоники. Помимо отсутствия общей платформы, в производственных процессах кремниевой фотоники возникают проблемы с высокими производственными затратами, интегрированными источниками света, производительностью компонентов, совместимостью материалов, тепловыми эффектами и надежностью. Ожидается, что благодаря продолжающемуся технологическому прогрессу и инновациям эти узкие места будут преодолены в ближайшие годы-десятилетие.