Jak działa fotonika krzemowa i dlaczego centra danych jej potrzebują

Wąskie gardło w każdym centrum danych

Nowoczesne centra danych przetwarzają oszałamiające ilości informacji, a zapotrzebowanie gwałtownie rośnie wraz z wykładniczym wzrostem obciążeń związanych ze sztuczną inteligencją. Istnieje jednak problem fizyczny: miedziane przewody, które tradycyjnie łączą serwery, przełączniki i procesory, osiągają swoje fundamentalne granice. Miedź generuje ciepło, zużywa energię i traci jakość sygnału na odległość. Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na przepustowość do zakresu terabitów na sekundę, elektryczne połączenia międzysieciowe stały się najsłabszym ogniwem w łańcuchu.

Fotonika krzemowa oferuje rozwiązanie, zastępując elektrony fotonami – wykorzystując światło do przesyłania danych na maleńkich krzemowych chipach. Technologia ta szybko przechodzi z laboratoriów badawczych do wdrożeń w świecie rzeczywistym, a liderzy branży przewidują, że wszystkie połączenia międzysieciowe centrów danych AI będą optyczne w ciągu pięciu lat.

Jak światło przemieszcza się po chipie

U podstaw fotoniki krzemowej leży integracja komponentów optycznych – falowodów, modulatorów i fotodetektorów – bezpośrednio na krzemowych płytkach, przy użyciu tych samych procesów wytwarzania CMOS, które są wykorzystywane do produkcji konwencjonalnych chipów komputerowych. Ta kompatybilność z istniejącą produkcją półprzewodników sprawia, że technologia jest skalowalna i opłacalna.

Krzemowy chip fotoniczny działa w trzech etapach:

• Generowanie światła: Źródło lasera (zazwyczaj wykonane z fosforku indu) wytwarza spójne światło. Naukowcy z imec osiągnęli integrację lasera z precyzją ustawienia w granicach 300 nanometrów.
• Modulacja: Modulatory na bazie krzemu lub germanu kodują dane na wiązce światła, szybko włączając i wyłączając ją – lub zmieniając jej intensywność. Obecne modulatory działają z przepustowością 50 GHz, obsługując szybkość transmisji danych 200 Gb/s na kanał przy użyciu techniki zwanej PAM-4 (czteropoziomowa modulacja amplitudy impulsów).
• Detekcja: Po stronie odbiorczej germanowe fotodetektory przekształcają sygnał optyczny z powrotem na sygnały elektryczne, które mogą odczytać procesory.

Pomiędzy tymi etapami krzemowe falowody – wąskie grzbiety wytrawione w chipie – prowadzą światło z minimalnymi stratami, działając jak optyczne autostrady w skali mikroskopowej.

Dlaczego bije miedź

Zalety fotoniki nad elektrycznymi połączeniami międzysieciowymi są dramatyczne. Sygnały świetlne przemieszczają się szybciej, przenoszą więcej danych i zużywają znacznie mniej energii na bit. Według badań imec, pierścieniowe krzemowe transceivery fotoniczne CMOS osiągnęły zużycie energii optycznej na poziomie zaledwie 3,5 pikodżula na bit – ułamek tego, co wymagają łącza elektryczne.

Aby zwielokrotnić przepustowość bez dodawania fizycznych kabli, fotonika krzemowa wykorzystuje multipleksowanie z podziałem długości fali (WDM), wysyłając 8, 16 lub więcej długości fal światła jednocześnie przez pojedynczy kanał optyczny. Jest to analogiczne do nadawania wielu stacji radiowych na różnych częstotliwościach. Optyka pierwszej generacji o przepustowości 1,6 terabita łączy już sygnalizację 100-gigahercową z modulacją PAM-4, a systemy następnej generacji dążą do 140 gigaherców.

Optyka współpakowana: następna granica

Najbardziej transformacyjnym osiągnięciem jest optyka współpakowana (CPO) – umieszczanie komponentów fotonicznych bezpośrednio w tej samej obudowie co procesor lub chip przełącznika. Zamiast kierować dane przez zewnętrzne moduły wtykowe, światło wchodzi i wychodzi z obudowy chipu. Plan firmy Nvidia zakłada połączenia międzysieciowe z obsługą CPO, zapewniające 6,4 terabita na sekundę na poziomie płyty głównej, a przyszłe generacje celują w 12,8 Tb/s wewnątrz obudów procesorów.

Japońskie firmy NTT i Toshiba zademonstrowały przełączniki fotoniczno-elektroniczne o zdolności przełączania 51,2 Tb/s, ilustrując, jak technologia optyczna może jednocześnie obniżyć opóźnienia i zużycie energii.

Dlaczego AI sprawia, że to jest pilne

Trenowanie dużych modeli AI wymaga od tysięcy procesorów wymiany ogromnych zbiorów danych z zawrotną prędkością. Każda nanosekunda opóźnienia i każdy wat zmarnowanej energii kumuluje się w centrum danych z dziesiątkami tysięcy węzłów. Fotonika krzemowa rozwiązuje oba problemy jednocześnie, dlatego przewiduje się, że rynek odlewni fotonicznych wzrośnie ośmiokrotnie w latach 2026–2032.

Wraz z dojrzewaniem chipów fotonicznych, przechodzących od zastosowań sieciowych do obliczeniowych, stanowią one coś więcej niż tylko stopniową aktualizację. Są fundamentalną zmianą w sposobie komunikacji maszyn – zastępując szum elektryczności ciszą światła.