Jak funguje křemíková fotonika – a proč ji datová centra potřebují

Úzké hrdlo uvnitř každého datového centra

Moderní datová centra zpracovávají ohromné objemy informací a poptávka se zrychluje s tím, jak exponenciálně rostou pracovní zátěže umělé inteligence. Existuje ale fyzikální problém: měděné vodiče, které tradičně propojují servery, přepínače a procesory, narážejí na své základní limity. Měď generuje teplo, spotřebovává energii a ztrácí kvalitu signálu na vzdálenost. S tím, jak požadavky na šířku pásma stoupají do řádu terabitů za sekundu, se elektrické propojky staly nejslabším článkem řetězu.

Křemíková fotonika nabízí řešení tím, že nahrazuje elektrony fotony – využívá světlo k přenosu dat na malých křemíkových čipech. Tato technologie se rychle přesouvá z výzkumných laboratoří do reálného nasazení a lídři v oboru předpovídají, že všechny propojky datových center s umělou inteligencí budou do pěti let optické.

Jak se světlo šíří na čipu

Křemíková fotonika ve své podstatě integruje optické komponenty – vlnovody, modulátory a fotodetektory – přímo na křemíkové pláty pomocí stejných výrobních procesů CMOS, které produkují konvenční počítačové čipy. Tato kompatibilita s existující výrobou polovodičů je to, co činí technologii škálovatelnou a nákladově efektivní.

Křemíkový fotonický čip pracuje ve třech fázích:

• Generování světla: Laserový zdroj (typicky vyrobený z fosfidu india) produkuje koherentní světlo. Výzkumníci z imec dosáhli integrace laseru s přesností zarovnání do 300 nanometrů.
• Modulace: Modulátory na bázi křemíku nebo germania kódují data do světelného paprsku rychlým zapínáním a vypínáním – nebo změnou jeho intenzity. Současné modulátory pracují s šířkou pásma 50 GHz a podporují datové rychlosti 200 Gbps na kanál pomocí techniky zvané PAM-4 (čtyřúrovňová pulzní amplitudová modulace).
• Detekce: Na přijímací straně germaniové fotodetektory převádějí optický signál zpět na elektrické signály, které mohou procesory číst.

Mezi těmito fázemi křemíkové vlnovody – úzké hřebeny vyleptané do čipu – vedou světlo s minimální ztrátou a fungují jako optické dálnice v mikroskopickém měřítku.

Proč poráží měď

Výhody fotoniky oproti elektrickým propojkám jsou dramatické. Světelné signály se šíří rychleji, přenášejí více dat a spotřebovávají mnohem méně energie na bit. Podle výzkumu imec dosáhly kruhové CMOS křemíkové fotonické transceivery spotřeby optické energie pouhých 3,5 pikojoulů na bit – zlomek toho, co vyžadují elektrické spoje.

Pro znásobení šířky pásma bez přidávání fyzických kabelů používá křemíková fotonika multiplex s dělením vlnové délky (WDM), který odesílá 8, 16 nebo více vlnových délek světla současně jedním optickým kanálem. To je analogické vysílání více rozhlasových stanic na různých frekvencích. Optika první generace s rychlostí 1,6 terabitu již kombinuje signalizaci 100 gigabaud s modulací PAM-4 a systémy příští generace cílí na 140 gigabaud.

Společně balená optika: Další hranice

Nejtransformačnějším vývojem je společně balená optika (CPO) – umístění fotonických komponent přímo do stejného pouzdra jako procesorový nebo přepínací čip. Namísto směrování dat přes externí zásuvné moduly vstupuje a vystupuje světlo ze samotného pouzdra čipu. Plán společnosti Nvidia počítá s propojkami s podporou CPO, které dodávají 6,4 terabitů za sekundu na úrovni základní desky, přičemž budoucí generace cílí na 12,8 Tb/s uvnitř pouzder procesorů.

Japonské společnosti NTT a Toshiba předvedly fotonicko-elektronické přepínače s přepínací kapacitou 51,2 Tb/s, což ilustruje, jak může optická technologie současně snížit latenci i spotřebu energie.

Proč je to s AI tak naléhavé

Trénink velkých modelů umělé inteligence vyžaduje, aby si tisíce procesorů vyměňovaly masivní datové sady bleskovou rychlostí. Každá nanosekunda latence a každý watt zbytečné energie se násobí v datovém centru s desítkami tisíc uzlů. Křemíková fotonika řeší oba problémy najednou, a proto se předpokládá, že trh s fotonickými slévárnami osminásobně vzroste mezi lety 2026 a 2032.

S tím, jak fotonické čipy zrají od sítí k výpočetním aplikacím, představují více než jen inkrementální upgrade. Jsou zásadní změnou v tom, jak stroje komunikují – nahrazují hučení elektřiny tichem světla.