Technologia CPO (co-packaged optoelectronics) istnieje już od jakiegoś czasu, ale wciąż jest na etapie rozwoju. Andreas Matiss, starszy menedżer ds. komponentów optycznych i integracji w Corning Optical Communications, wyjaśnił, jak szkło odgrywa kluczową rolę w umieszczaniu konwerterów elektrooptycznych na bazie krzemu jak najbliżej procesorów krzemowych.

Sieci centrów danych ewoluują w szybkim tempie, a to tempo przyspieszyło wraz z rozwojem sztucznej inteligencji i wdrażaniem na dużą skalę klastrów AI. Ostatnie postępy w tej dziedzinie są znaczące, szczególnie dzięki wdrożeniu architektury NVIDIA DGX SuperPOD i klastrów Google TPU. Ta zmiana jest napędzana zapotrzebowaniem na wysokowydajne przetwarzanie w celu wspierania zadań szkoleniowych i wnioskowania AI. Oczekuje się, że sama NVIDIA dostarczy miliony zoptymalizowanych pod kątem AI jednostek GPU rocznie w ciągu najbliższych pięciu lat, osiągając znaczną skalę do 2028 roku.

Liczba jednostek transceiverów wymaganych do budowy tych sieci osiągnie dziesiątki milionów rocznie, a urządzenia te będą musiały działać z maksymalną prędkością 1,6 Tbps i 3,2 Tbps. Analitycy branżowi przewidują, że każdy akcelerator (GPU) będzie w przyszłości wyposażony w ponad 10 transceiverów, co oznacza, że zapotrzebowanie na połączenia światłowodowe wzrośnie około 10 razy w porównaniu z obecnym poziomem wdrożeń.

W typowym centrum danych standardowy, wtykowy transceiver Ethernet zużywa około 20 watów energii. Oczekuje się, że transceivery nowej generacji będą zużywać prawie dwa razy więcej energii. Szacuje się, że w oparciu o obecne dostawy, około 200 megawatów (MW) mocy zostanie wykorzystane do zasilania transceiverów w 2024 roku. Opierając się na trajektorii rozwoju transceiverów i oczekiwanym dziesięciokrotnym wzroście zapotrzebowania na łączność optyczną, przewiduje się, że wdrożenie mocy dla transceiverów wzrośnie do 2 gigawatów (GW) rocznie, co odpowiada mocy generowanej przez dużą elektrownię jądrową. Nie obejmuje to mocy wymaganej do zasilania elektroniki po stronie hosta i retimerów elektrycznych używanych do przesyłania danych z układów scalonych do transceiverów na przednim panelu urządzenia.

Na przykład, dla centrum danych AI wyposażonego w milion GPU, wprowadzenie technologii CPO mogłoby zaoszczędzić centrum danych około 150 megawatów mocy wytwórczej. Oprócz zmniejszenia inwestycji wymaganych do budowy odpowiednich obiektów wytwarzania energii, technologia ta znacznie obniża również koszty operacyjne – w zależności od regionalnych różnic w cenach energii, roczne oszczędności energii elektrycznej mogą z łatwością przekroczyć 100 milionów euro. W Chinach, wraz z postępem inicjatywy „East-West Computing”, zapotrzebowanie na wysokoprzepustowe, niskoenergetyczne połączenia optyczne gwałtownie rośnie w centrach superkomputerowych (takich jak Wuxi Sunway TaihuLight) i centrach obliczeniowych AI (takich jak klastry obliczeniowe AI w Pekinie i Shenzhen). Oczekuje się, że technologia CPO będzie kluczem do zmniejszenia zużycia energii i zwiększenia wydajności dla krajowych GPU. W obliczu tego niezrównoważonego trendu zużycia energii, innowacje są kluczowe.

Wprowadzenie technologii CPO

CPO to technologia, która najprawdopodobniej pokona to wąskie gardło zużycia energii w krótkim okresie. Technologia ta przenosi moduł konwersji elektrooptycznej z transceiwera na przednim panelu do wnętrza urządzenia, idealnie integrując go bezpośrednio z podłożem pakietu CPU lub GPU. Minimalizuje to straty mocy w kanale miedzianym, co skutkuje bardziej energooszczędnym połączeniem. W porównaniu z wtykowymi transceiverami, zużycie energii można zmniejszyć o ponad 50%, a w niektórych przypadkach nawet o 75%. Ta korzyść w zakresie oszczędności energii jest osiągana nie tylko dzięki ograniczeniu wykorzystania kanałów miedzianych o wysokich stratach, ale także dzięki uproszczeniu, a nawet wyeliminowaniu procesora sygnału cyfrowego (DSP) wymaganego do kompensacji strat w transmisji sygnału elektrycznego.

Podsumowując, technologia CPO oferuje szybką, niskoenergetyczną i niskolatencyjną łączność optyczną. Te cechy są kluczem do zaawansowanych sieci AI.

Inną wartą rozważenia alternatywą oszczędzania energii jest liniowy wtykowy moduł optyczny (LPO). Eliminując układ DSP, zmniejsza on zużycie energii i opóźnienia, zachowując jednocześnie format i ekosystem wtykowego transceiwera na przednim panelu. Podczas gdy CPO oferuje lepszą integralność sygnału i niższe opóźnienia, LPO jest bardziej opłacalny, szczególnie w przypadku zastosowań krótkiego zasięgu. Opłacalność LPO i niskie zużycie energii w połączeniu z szybkim czasem wprowadzenia na rynek mogą opóźnić powszechne przyjęcie technologii CPO.

Jednak w miarę wzrostu prędkości łączy do 200G i więcej, LPO zużywa więcej energii niż CPO i staje się znacznie trudniejszy w zarządzaniu w celu zapewnienia wysokiej jakości sygnału. W miarę dalszego rozwoju technologii, oczekuje się, że CPO stanie się preferowanym rozwiązaniem w przyszłości.

Szkło wzmacnia technologię CPO
Oczekuje się, że szkło odegra kluczową rolę w nowej generacji technologii CPO. Aby zbliżyć konwertery elektrooptyczne (głównie układy fotoniki krzemowej) jak najbliżej rzeczywistych procesorów krzemowych (CPU i GPU), wymagana jest nowa technologia pakowania, która nie tylko obsługuje większe rozmiary podłoży, ale także umożliwia łączność optyczną z układami fotoniki krzemowej.

Pakowanie półprzewodników tradycyjnie opierało się głównie na podłożach organicznych. Materiały te mają wyższy współczynnik rozszerzalności cieplnej niż krzem, co ogranicza maksymalny rozmiar pakietów półprzewodnikowych. W miarę jak branża wciąż dąży do większych podłoży pakietów na istniejących platformach technologii organicznych, problemy z niezawodnością (takie jak problemy z integralnością połączeń lutowanych i zwiększone ryzyko delaminacji) oraz wyzwania produkcyjne (takie jak wysokiej jakości struktury połączeń o drobnej podziałce i okablowanie o dużej gęstości) stają się coraz bardziej widoczne, prowadząc do wzrostu kosztów pakowania i testowania. Jednak dzięki zoptymalizowanej konstrukcji, szkło może osiągnąć współczynnik rozszerzalności cieplnej, który bardziej odpowiada współczynnikowi układów krzemowych, przewyższając tradycyjne podłoża organiczne. To specjalnie przetworzone podłoże szklane wykazuje wyjątkową stabilność termiczną, zmniejszając naprężenia mechaniczne i uszkodzenia podczas wahań temperatury. Jego doskonała wytrzymałość mechaniczna i płaskość stanowią solidną podstawę dla niezawodności pakowania układów. Ponadto podłoża szklane obsługują wyższą gęstość połączeń i drobniejsze podziałki, poprawiając wydajność elektryczną i redukując efekty pasożytnicze. Te właściwości sprawiają, że szkło jest wysoce niezawodnym i precyzyjnym wyborem dla zaawansowanego pakowania półprzewodników. W związku z tym przemysł pakowania półprzewodników aktywnie rozwija zaawansowaną technologię podłoży szklanych jako technologię podłoży nowej generacji.

Podłoża falowodowe szklane
Oprócz doskonałych właściwości termicznych i mechanicznych, szkło może być również manipulowane w celu funkcjonowania jako falowód optyczny. Falowody w szkle są zwykle tworzone w procesie zwanym wymianą jonową: jony w szkle są zastępowane innymi jonami z roztworu soli, zmieniając w ten sposób współczynnik załamania światła szkła. Ograniczając światło do obszarów o wyższym współczynniku załamania światła, te zmodyfikowane obszary mogą prowadzić światło. Technika ta umożliwia precyzyjne dostrojenie właściwości falowodu, co czyni ją odpowiednią dla różnych zastosowań optycznych. W konsekwencji, w falowodach optycznych o strukturach podobnych do włókien, światło może rozchodzić się wzdłuż zintegrowanych falowodów szklanych i być skutecznie sprzężone ze światłowodami lub układami fotonicznymi krzemowymi. To sprawia, że szkło jest atrakcyjnym wyborem materiału dla zaawansowanych zastosowań CPO.

Integracja połączeń elektrycznych i optycznych na tym samym podłożu pomaga również sprostać wyzwaniom związanym z gęstością połączeń, przed którymi stają firmy budujące duże klastry AI. Obecnie liczba kanałów optycznych jest ograniczona przez geometrię światłowodów – średnica typowej osłony światłowodu wynosi 127 mikronów, czyli około grubości ludzkiego włosa. Falowody szklane umożliwiają jednak gęstsze rozmieszczenie, znacznie zwiększając gęstość wejścia/wyjścia (I/O) w porównaniu z bezpośrednimi połączeniami światłowód-układ.

Integracja połączeń elektrycznych i optycznych nie tylko rozwiązuje problemy z gęstością, ale także poprawia ogólną wydajność i skalowalność klastrów AI. Kompaktowa natura falowodów szklanych pozwala na umieszczenie większej liczby kanałów optycznych w tej samej przestrzeni fizycznej, zwiększając tym samym przepustowość i wydajność transmisji danych w systemie. Ten postęp ma kluczowe znaczenie dla napędzania rozwoju infrastruktury AI nowej generacji – w scenariuszach, w których systemy AI muszą przetwarzać ogromne ilości danych, technologia połączeń o dużej gęstości jest kluczem do efektywnego zarządzania.

Integrując falowody szklane, kompletny system optyczny może być zbudowany na tym samym podłożu, umożliwiając układom scalonym fotonicznym komunikację bezpośrednio przez falowody optyczne. Proces ten eliminuje potrzebę stosowania połączeń światłowodowych i znacznie poprawia przepustowość i zasięg komunikacji między układami. W systemach o dużej gęstości z licznymi połączonymi komponentami, zastosowanie falowodów szklanych może zapewnić mniejsze straty sygnału, wyższą gęstość przepustowości i większą trwałość w porównaniu z oddzielnymi światłowodami. Te zalety sprawiają, że falowody szklane są idealnym wyborem dla wysokowydajnych systemów połączeń optycznych.

Zastosowanie technologii CPO w centrach danych nowej generacji i sieciach superkomputerów AI może zwiększyć przepustowość ucieczki układu, otwierając nowe możliwości dla szybkich przełączników o wysokim radixie 102T i wyższych. Architekci sieci mają teraz wyjątkową okazję do ponownego przemyślenia i przeprojektowania architektur sieci. Dzięki zwiększonej przepustowości i uproszczonym architekturą sieci, osiągną oni doskonałą wydajność sieci, napędzając poprawę wydajności operacyjnej i optymalizację procesów.

Wnioski
Technologia CPO ma potencjał zrewolucjonizowania architektury połączeń AI na wielu poziomach. Może znacznie zmniejszyć zużycie energii i poprawić zrównoważony rozwój, dzięki czemu systemy AI będą bardziej przyjazne dla środowiska i opłacalne. Ponadto CPO poprawia wydajność i skalowalność systemów AI, umożliwiając im łatwe radzenie sobie z większymi i bardziej złożonymi zadaniami. Rozwiązując problemy z gęstością, CPO może zwiększyć szybkość transmisji danych, zapewniając szybszą i bardziej niezawodną komunikację między komponentami AI. Pomoże to również zmniejszyć wąskie gardła w przyszłych systemach AI, zapewniając płynniejsze i bardziej wydajne działanie systemu.

Oczekuje się, że przyszłe połączenia AI wprowadzą bezpośrednie łącza optyczne, eliminując potrzebę stosowania przełączników obliczeniowych. Ta innowacja poszerzy przepustowość dla zadań AI i poprawi szybkość i wydajność przetwarzania dużych zbiorów danych. Szkło, dzięki swoim doskonałym możliwościom transmisji danych i skalowalności, jest idealnym materiałem do umożliwienia tych postępów technologicznych. Połączenia optyczne oparte na szkle staną się kluczowym czynnikiem umożliwiającym systemy AI nowej generacji, tworząc niezbędną infrastrukturę dla wysokowydajnych obliczeń i zaawansowanych zastosowań AI.
NEW LIGHT OPTICS  TECHNOLOGY LIMITED będzie dążyć do wykorzystania każdej okazji i wniesienia wkładu.