Ako funguje kremíková fotonika – a prečo ju dátové centrá potrebujú

Úzke hrdlo v každom dátovom centre

Moderné dátové centrá spracovávajú ohromujúce objemy informácií a dopyt sa zrýchľuje s exponenciálnym rastom záťaže umelej inteligencie. Existuje však fyzikálny problém: medené káble, ktoré tradične spájajú servery, prepínače a procesory, narážajú na základné limity. Meď generuje teplo, spotrebúva energiu a stráca kvalitu signálu na diaľku. Keďže požiadavky na šírku pásma stúpajú do rozsahu terabitov za sekundu, elektrické prepojenia sa stali najslabším článkom reťaze.

Kremíková fotonika ponúka riešenie nahradením elektrónov fotónmi – využitím svetla na prenos dát na malých kremíkových čipoch. Táto technológia sa rýchlo presúva z výskumných laboratórií do reálneho nasadenia a lídri v odvetví predpovedajú, že všetky prepojenia dátových centier s umelou inteligenciou budú do piatich rokov optické.

Ako sa svetlo šíri na čipe

Kremíková fotonika vo svojej podstate integruje optické komponenty – vlnovody, modulátory a fotodetektory – priamo na kremíkové doštičky pomocou rovnakých výrobných procesov CMOS, ktoré produkujú konvenčné počítačové čipy. Táto kompatibilita s existujúcou výrobou polovodičov je to, čo robí túto technológiu škálovateľnou a nákladovo efektívnou.

Kremíkový fotonický čip pracuje v troch fázach:

• Generovanie svetla: Laserový zdroj (typicky vyrobený z indidového fosfidu) produkuje koherentné svetlo. Výskumníci v imec dosiahli integráciu lasera s presnosťou zarovnania do 300 nanometrov.
• Modulácia: Modulátory na báze kremíka alebo germánia kódujú dáta do svetelného lúča rýchlym zapínaním a vypínaním – alebo zmenou jeho intenzity. Súčasné modulátory pracujú so šírkou pásma 50 GHz, podporujú dátové rýchlosti 200 Gbps na kanál pomocou techniky nazývanej PAM-4 (štvorúrovňová pulzná amplitúdová modulácia).
• Detekcia: Na prijímacej strane germániové fotodetektory konvertujú optický signál späť na elektrické signály, ktoré môžu procesory čítať.

Medzi týmito fázami vlnovody – úzke hrebene vyleptané do čipu – vedú svetlo s minimálnymi stratami a fungujú ako optické diaľnice v mikroskopickom meradle.

Prečo prekonáva meď

Výhody fotoniky oproti elektrickým prepojeniam sú dramatické. Svetelné signály sa šíria rýchlejšie, prenášajú viac dát a spotrebúvajú oveľa menej energie na bit. Podľa výskumu spoločnosti imec dosiahli kruhové CMOS kremíkové fotonické transceivery spotrebu optickej energie už na úrovni 3,5 pikojoulov na bit – čo je zlomok toho, čo vyžadujú elektrické prepojenia.

Na znásobenie šírky pásma bez pridania fyzických káblov používa kremíková fotonika multiplexovanie s delením vlnovej dĺžky (WDM), pričom súčasne posiela 8, 16 alebo viac vlnových dĺžok svetla cez jeden optický kanál. To je analogické s vysielaním viacerých rozhlasových staníc na rôznych frekvenciách. Optika prvej generácie s rýchlosťou 1,6 terabitu už kombinuje signalizáciu 100 gigabaudov s moduláciou PAM-4 a systémy novej generácie sa zameriavajú na 140 gigabaudov.

Spolu-balená optika: Ďalšia hranica

Najzásadnejším vývojom je spolu-balená optika (CPO) – umiestnenie fotonických komponentov priamo do rovnakého balenia ako procesorový alebo prepínací čip. Namiesto smerovania dát cez externé zásuvné moduly svetlo vstupuje a vystupuje z balenia čipu samotného. Plán spoločnosti Nvidia predpokladá prepojenia s podporou CPO, ktoré poskytujú 6,4 terabitov za sekundu na úrovni základnej dosky, pričom budúce generácie sa zameriavajú na 12,8 Tb/s v rámci balení procesorov.

Japonské spoločnosti NTT a Toshiba demonštrovali fotonicko-elektronické prepínače s prepínacou kapacitou 51,2 Tb/s, čo ilustruje, ako môže optická technológia súčasne znížiť latenciu aj spotrebu energie.

Prečo je to s AI naliehavé

Trénovanie rozsiahlych modelov AI vyžaduje, aby si tisíce procesorov vymieňali rozsiahle súbory dát závratnou rýchlosťou. Každá nanosekunda latencie a každý watt zbytočne vynaloženej energie sa znásobuje v dátovom centre s desiatkami tisíc uzlov. Kremíková fotonika rieši oba problémy naraz, a preto sa predpokladá, že trh s fotonickými zlievarňami osemkrát narastie medzi rokmi 2026 a 2032.

Keďže fotonické čipy dozrievajú od sietí až po výpočtové aplikácie, predstavujú viac ako len prírastkové vylepšenie. Sú zásadnou zmenou v spôsobe, akým stroje komunikujú – nahrádzajú hukot elektriny tichom svetla.