CEA-Leti, Scintil Photonics и NcodiN демонстрируют, как оптические соединения переходят от стоек центров обработки данных к оптике в комплекте и коммуникациям на уровне микрочипов.
По мере того как процессоры искусственного интеллекта становятся сборками графических процессоров, стеков памяти и специализированных микросхем, оптический канал связи перестает быть просто сетевым компонентом центра обработки данных; он становится частью усовершенствованной упаковки. Компании CEA-Leti, Scintil Photonics и NcodiN работают над различными этапами этого перехода: от многоволновых лазерных источников для комбинированной оптики к нанолазерам, предназначенным для фотонных промежуточных устройств.
По словам Элеоноры Харди, менеджера по партнерским отношениям в CEA-Leti, исторически кремниевая фотоника в центрах обработки данных ассоциировалась с передней панелью стойки. Электроника внутри стойки выполняет вычисления, в то время как оптические приемопередатчики преобразуют электрические сигналы в фотоны, которые могут передаваться по оптоволокну через центр обработки данных или за его пределы.
Харди сказал, что системы соединений, которые сейчас привлекают внимание, «расположены ближе к микросхемам, к графическому процессору, ЦП и памяти». Эти соединения находятся внутри стойки, в расширенных пакетах и между соединителями. Сегодня многие по-прежнему используют медь. Но, по ее словам, они «начинают переключаться на то, чтобы быть также областью действия фотонов».
Этот процесс идет от приемопередатчиков на передней панели к оптическим процессорам внутри стойки, оптической компоновке рядом с широкополосной электроникой и, в конечном счете, к фотонным промежуточным устройствам, которые распределяют данные между микрочипами внутри 3D-пакета. «Вы попадаете внутрь 3D-пакета», - отметила Харди в интервью EE Times.
Именно здесь становится понятным различие между Scintil Photonics и NcodiN. Scintil внедряет в производство гетерогенный процесс интеграции однокристальных фотонных компонентов, включая лазерные источники DWDM, которые размещаются вне корпуса и подают свет на встроенные оптические двигатели. Более молодая компания NcodiN работает над созданием нанолазеров, которые можно было бы размещать непосредственно в фотонном слое внутри упаковки.
Есть два пути проникновения
Янник Пайлард, коммерческий директор Scintil, описал продукт компании LEAF Light как «интегрированный фотонный многоволновой лазерный источник». Он расположен внутри внешнего лазерного модуля малого форм-фактора, обычно подключаемого к передней панели или коммутатору системы с графическим процессором, где он подает DWDM-излучение на встроенную оптику.
На кристалле Scintil встроены лазеры с распределенной обратной связью, каскады мультиплексирования, которые объединяют различные длины волн в единый источник DWDM, четыре оптических выходных порта, контрольные фотодиоды и встроенный источник опорной частоты. Опорная частота используется для того, чтобы поддерживать длину волны в соответствии с требованиями заказчика.
По словам Пайлларда, причина использования DWDM заключается в том, что системы искусственного интеллекта нуждаются в «медленном и широком» подходе. Вместо простого увеличения скорости передачи данных в бодах, что повышает энергопотребление, трафик можно распределить по нескольким каналам с более низкой скоростью передачи. «Если у вас есть несколько цветов, вам нужно несколько лазеров, чтобы получить эти разные цвета», - заявил он.
Для Scintil это создает потребность в интегрированном лазерном источнике, который может быть изготовлен в больших объемах. Пайллард сказал, что сейчас компания проводит отбор образцов, предлагая заказчикам оценочный комплект для тестирования лазерного источника и подключения его к оптике в комплекте. Компания ожидает, что в 2026 году будут выпущены сотни образцов, в 2027-м – тысячи, в 2028 году начнется серийное производство, а в 2029 году начнется полное производство.
Компания Scintil нацелена на создание соединений, которые позволяют множеству графических процессоров работать вместе как единой вычислительной системе. Оптические каналы связи уже широко используются для передачи данных на большие расстояния внутри центров обработки данных и между ними. Пайллард сообщил, что следующий шаг – это сокращение времени подключения графического ускорителя к графическому ускорителю в крупных системах искусственного интеллекта, где медь по-прежнему широко используется, но с ростом пропускной способности могут возникнуть проблемы.
«Мы рассматриваем систему соединений одного графического ускорителя к другому, которое называется масштабированием», - отметил он. «Сегодня это расширение происходит за счет меди». Пайллард ожидает, что переход к оптике произойдет примерно в 2028 и 2029 годах.
NcodiN стремится к более короткому каналу связи. Генеральный директор Франческо Манегатти заявил, что компания не нацелена на масштабирование или наращивание сети. Ее целью является «масштабируемость»: взаимодействие внутри пакета, включая соединения между графическими процессорами и памятью с высокой пропускной способностью в одном процессоре.
«На самом деле мы занимаемся масштабированием», - рассказал Манегатти в интервью EE Times. «В рамках пакета».
Основной технологией NcodiN является нанолазер, встроенный в кремний. В отличие от внешних лазерных модулей или более традиционных интегрированных DFB-лазеров, подход NcodiN использует лазеры гораздо меньшего размера, которые могут быть плотно интегрированы для создания маломощных каналов связи с высокой пропускной способностью внутри корпуса.
Основной целью компании является передача данных от чипа к чипу. Вместо оптоволокна в линиях связи используются волноводы. Манегатти сказал, что цель состоит в том, чтобы позволить заказчикам объединить больше графических процессоров и блоков памяти в единую систему, что поможет сместить ограничения с перемещения данных обратно на вычисления.
В NcodiN заявили, что их платформа работает на основе «достаточно широкого и быстрого» подхода, при котором множество параллельных каналов передают данные в двух направлениях. Компания заявляет о плотности полосы пропускания около 40 Тбит/с на миллиметр, мощности оптического канала связи около 0,15 ПДж/бит и интеграционной способности около 5000 нанолазеров на квадратный миллиметр.
Манегатти не ожидает, что оптика заменит медь повсеместно. Для очень коротких соединений меди может быть достаточно. Но по мере того, как размеры чип-систем увеличиваются до сантиметрового, а в конечном итоге и до размеров пластин, оптика становится все более востребованной.
«Мы используем медь, когда можем, и оптику там, где это необходимо», - сказал он.
Трудность заключается в том, чтобы сделать продукт технологичным
Общая задача, стоящая за обоими подходами, заключается не просто в разработке лазера, но и в том, чтобы этот лазер вписался в технологический процесс производства полупроводников.
Кремниевая фотоника может эффективно направлять свет, но кремний не очень хорошо подходит для генерации самого света. Вот почему компаниям нужны материалы III-V класса, такие как фосфид индия, для лазерных источников и оптических усилителей. «Кремний сам по себе отлично подходит для прокладки», - добавила Харди. «Но для лазерного источника или оптического усилителя необходим материал III-V класса».
Сложность заключается в том, чтобы внедрить эти материалы в процесс производства микросхем. По словам Харди, материалы III-V часто обрабатываются на 4-дюймовых пластинах, в то время как в кремниевой фотонике используются пластины диаметром 200 мм или 300 мм. Интеграция небольшого количества материалов III-V типа в кремниевые пластины большего размера имеет решающее значение для достижения объемов и стоимости фотонных устройств, требуемых рынками центров обработки данных.
Решением CEA-Leti является гетерогенная интеграция, в частности, прямое склеивание. Институт размещает материалы III-V только там, где это необходимо, на кремниевой фотонной пластине, а не покрывает всю пластину целиком. Соединение происходит на молекулярном уровне, без использования пасты или клея. Поверхности подготавливаются таким образом, чтобы материалы вели себя так, как будто они представляют собой единое целое.
По словам Харди, у таких компаний, как Scintil и NcodiN, возможно, и есть перспективные устройства, но им нужен способ интегрировать эти устройства в процессы, совместимые с производствами полупроводниковых компонентов. «Мы являемся связующим звеном между этими ребятами и крупными производителями полупроводников», - сказала она.
Уровни зрелости различны. Scintil является дочерним предприятием Leti и имеет лицензию на несколько патентов от института. Харди добавила, что Leti также разрабатывает процессы, которые Scintil может внедрять в массовые производства при построении своей цепочки поставок. В феврале компания Scintil объявила, что перенесла свой процесс гетерогенной интеграции на кремниевую фотонную платформу Tower Semiconductor и теперь работает на 200-миллиметровых производственных линиях.
NcodiN, напротив, является дочерним предприятием CNRS, работающим совместно с Leti над индустриализацией. Манегатти заявил, что целью сотрудничества является внедрение технологии NcodiN «из лаборатории в производство» путем ее воспроизведения на 300-миллиметровых пластинах в экспериментальной линии КМОП-матриц. Он ожидает, что первые пластины со встроенными лазерами будут выпущены к концу первого квартала 2027 года.
Остается несколько барьеров. Харди сказала, что системные архитекторы десятилетиями работали с электрическими соединениями и будут использовать медь до тех пор, пока смогут. Она также указала на отсутствие стандартов, что затрудняет интеграцию, поскольку многие компании предлагают разные подходы. По мере приближения лазеров к мощным графическим процессорам еще одной проблемой становится их тепловое поведение, а стоимость упаковки остается серьезной проблемой.
Пайллард отметил, что Scintil продолжает собирать данные о надежности. Компания ежемесячно получает партии пластин, собирает устройства и подвергает их высокотемпературным испытаниям на срок службы, чтобы ускорить старение и предоставить данные для клиентов.
«Есть ли у нас данные о надежности на данный момент? Нет, потому что мы еще не произвели достаточный объем продукции для этого», - сообщил Пайллард. «Именно этим мы сейчас и занимаемся».
NcodiN предстоит такое же промышленное тестирование на более ранней стадии. Манегатти сказал, что перед массовым производством необходимо подтвердить технологичность, производительность, надежность и экономическую эффективность.
Направление движения становится ясным: фотоника перемещается от края стойки к упаковке, промежуточному устройству и ткани для изготовления микрочипов. Но решающий вопрос заключается не только в том, можно ли разместить крошечные лазеры ближе к графическим процессорам, но и в том, можно ли их производить, тестировать и упаковывать в полупроводниковых масштабах.
