Non molto tempo fa, Jensen Huang di NVIDIA ha dichiarato che l'infrastruttura AI di prossima-generazione richiederà enormi quantità di connettività ottica, poiché i cavi in rame non possono più soddisfare le richieste. Questa non è un'esagerazione.
Stiamo entrando in un mondo di luce
Con il rapido sviluppo della tecnologia informatica, il traffico dati globale sta crescendo in modo esponenziale e la domanda di capacità di informazione e potenza di elaborazione continua ad aumentare. Spinti da tecnologie emergenti come le comunicazioni 5G, l’Internet delle cose, il cloud computing, i big data e l’intelligenza artificiale, i tradizionali sistemi di comunicazione elettronica si trovano sempre più ad affrontare colli di bottiglia nella larghezza di banda e un elevato consumo di energia. La tecnologia di comunicazione ottica, con i suoi vantaggi significativi quali l’elevata larghezza di banda, la bassa perdita e l’immunità alle interferenze elettromagnetiche, è diventata una soluzione chiave a queste sfide. Il motivo principale per cui l'infrastruttura AI di prossima-generazione dovrà fare molto affidamento sulle connessioni ottiche è che il "muro di interconnessione" ha sostituito la potenza di calcolo come principale collo di bottiglia. Man mano che i cluster GPU scalano fino a decine di migliaia di schede e le velocità a canale singolo-si spostano verso 224G, i cavi in rame raggiungono limiti fisici a causa dell'effetto pelle e delle perdite dielettriche, comprimendo le distanze di trasmissione effettive a meno di 2 metri,-insufficienti per le esigenze di scalabilità cross-rack-. Allo stesso tempo, tutte le-interconnessioni ottiche possono ridurre il consumo energetico per-bit di larghezza di banda di oltre il 40%, rendendole l'unica strada per risolvere la crisi energetica nelle fabbriche di intelligenza artificiale.
Niobato di litio: decenni sulla panchina fredda
Essendo un componente chiave dei sistemi di comunicazione ottica, il modulatore elettro-ottico (EOM) converte i segnali elettrici in segnali ottici ed esegue la modulazione. Le sue prestazioni influiscono direttamente sulla velocità di trasmissione, sul consumo energetico, sulla qualità e sulla stabilità dell'intero sistema di comunicazione.
Il niobato di litio (LiNbO₃, LN) è un materiale elettro-ottico fondamentale. Con il suo eccellente effetto Pockels, l'elevato indice di rifrazione (~2,2), l'ampia finestra di trasparenza (350 nm–5 μm) e la buona stabilità chimica, è rispettato nella comunità della fotonica come "silicio ottico". Dagli anni '60 è stato ampiamente utilizzato nei modulatori elettro-ottici.
Tuttavia, sebbene fosse indispensabile a livello di sistema, è stato escluso dall'ondata di integrazione su scala-di chip per tre decenni. Questo perché i modulatori convenzionali di niobato di litio si basano su campi elettrici per controllare la fase o l'intensità ottica. Limitate dalle proprietà fisiche del materiale e dalle tecniche di lavorazione, le dimensioni della guida d'onda del LN sfuso sono dell'ordine di millimetri e centimetri, risultando in una breve lunghezza di interazione tra i campi ottico ed elettrico. Per ottenere una modulazione efficace, sono necessarie tensioni di pilotaggio elevate (da diverse a decine di volt). Le grandi dimensioni del dispositivo rendono difficile l'integrazione con le piattaforme fotoniche basate sul silicio-, limitandone l'uso nei sistemi optoelettronici integrati su scala-chip. Inoltre, i processi di fabbricazione convenzionali soffrono di un'elevata perdita di propagazione della guida d'onda, che limita ulteriormente l'efficienza energetica e la trasmissione a lunga-distanza. Di conseguenza, piattaforme come la fotonica del silicio, InP e SiN sono diventate importanti e una volta LN era considerata "ottime prestazioni, ma non può essere resa piccola o densa".
La svolta della tecnologia-della pellicola sottile arriva proprio quando la domanda lo richiede
La svolta è arrivata con la maturazione della tecnologia-del niobato di litio a film sottile (TFLN). TFLN si basa su un'eterostruttura di "niobato di litio-isolante-substrato". Utilizzando tecniche di fabbricazione avanzate come il taglio di ioni cristallini e la lucidatura chimico-meccanica, un film sottile LN a cristallo singolo viene staccato dal materiale sfuso e trasferito su un substrato (silicio, zaffiro o biossido di silicio). Rispetto al materiale sfuso, le guide d'onda sub-micron di TFLN consentono un confinamento del campo ottico molto più forte, aumentando l'efficienza dell'interazione luce-campo elettrico di decine di volte, riducendo così significativamente la tensione di pilotaggio e le dimensioni del dispositivo. Inoltre, la bassa perdita di propagazione di TFLN gli conferisce un vantaggio unico nei circuiti integrati fotonici a lungo raggio-e la sua compatibilità con le piattaforme basate su silicio-apre nuove strade per la fotonica integrata eterogenea.
Diamo un'occhiata ad alcuni parametri chiave per capire perché sta andando a ruba "improvvisamente" nell'era 1.6T/3.2T:
① Larghezza di banda: supera facilmente i 100 GHz, tendendo verso i 200 GHz.
② Consumo energetico: solo circa decine di femtojoule per bit (fJ/bit).
③ Qualità del segnale: bassa perdita di inserzione, rumore minimo, eccellente linearità.
④ Versatilità: un'unica piattaforma che gestisce applicazioni elettro-ottiche, non lineari e quantistiche.
Dal lato della domanda del settore, con l’esplosione della potenza di calcolo dell’intelligenza artificiale, le interconnessioni ottiche dei data center si stanno spostando da 400G a 800G/1.6T/3.2T, esattamente nell’era che necessita di TFLN. Prendiamo l'attuale tema caldo del co-packaged optics (CPO): sposta il motore ottico dal modulo collegabile del-pannello anteriore sullo stesso substrato del package del chip/ASIC dello switch. Dopo che NVIDIA ha prodotto in massa le soluzioni CPO-sulle serie Spectrum-X e Quantum, i dati misurati hanno mostrato risultati sorprendenti: la perdita di inserzione è scesa da circa 22 dB a ~4 dB, l'integrità del segnale è migliorata di un fattore pari a ~63 e l'efficienza della potenza ottica del sistema è aumentata fino a 5 volte.
Ma CPO non significa semplicemente "riposizionare" i moduli ottici esistenti. Il volume del pacchetto si riduce drasticamente, i budget energetici sono ridotti all'osso, le condizioni di dissipazione del calore peggiorano e l'ambiente elettrico diventa estremamente ostile-ogni dispositivo all'interno del motore ottico è spinto ai suoi limiti fisici. Con questa nuova serie di vincoli, TFLN è arrivato al momento perfetto, evolvendosi da un "punto di riferimento delle prestazioni" a una "necessità ingegneristica".
In breve, il motivo per cui il-film sottile di niobato di litio è diventato così caldo non è solo perché è stato reso più sottile-ma perché l'edificio della potenza di calcolo è finalmente arrivato al punto in cui TFLN deve fungere da muro-portante.