Быстрый рост искусственного интеллекта привлек беспрецедентное внимание к графическим процессорам, памяти HBM, передовым пакетам и вычислительным мощностям. Однако за этими технологиями скрывается фундаментальная проблема, которая становится все более важной:

Как можно эффективно, с высокой скоростью и с минимальным энергопотреблением передавать огромные объемы данных?

Современная инфраструктура искусственного интеллекта построена не только на мощных процессорах. Крупномасштабные центры обработки данных искусственного интеллекта зависят от разветвленных сетей связи, которые перемещают огромные объемы информации между серверами, ускорителями, системами хранения и сетевыми коммутаторами. По мере того, как рабочие нагрузки ИИ продолжают расти, растет спрос на оптические каналы с более высокой пропускной способностью и более низким энергопотреблением на передаваемый бит.

В эпоху искусственного интеллекта способность обрабатывать данные важна, но способность эффективно перемещать данные может стать не менее важной.

Растущее давление на оптические межсоединения искусственного интеллекта

Будущие кластеры искусственного интеллекта потребуют:

• Более высокие скорости передачи данных
• Больше оптических каналов на систему
• Низкое энергопотребление
• Сниженная стоимость за переданный бит
• Большая масштабируемость

Чтобы удовлетворить эти требования, индустрия фотоники все чаще обращается к фотонной интеграции, когда множество оптических функций интегрируются на одной платформе чипа.

Идеальная фотонная интегральная схема (PIC) должна одновременно обеспечивать:

1. Возможность массового производства
2. Сверхнизкие оптические потери
3. Эффективное электрооптическое управление

Выполнение только одного или двух из этих требований недостаточно. Практичная платформа оптических межсоединений должна сочетать в себе все три, сохраняя при этом технологичность и надежность.

В этих системах решающую роль играют оптические модуляторы. Они служат интерфейсом между электронными сигналами и оптикой.операторов связи, что напрямую влияет на скорость передачи, энергоэффективность и общую производительность системы.

Другими словами, будущий успех фотонных чипов зависит не только от эффективного направления света, но и от его эффективной модуляции.

Почему Тонкопленочный ниобат литияИмеет значение

Каждая из существующих фотонных платформ имеет свои сильные и слабые стороны.

Кремниевая фотоника

Кремниевая фотоника предлагает развитую инфраструктуру производства полупроводников и превосходную масштабируемость. Однако механизмы модуляции, основанные на инжекции или истощении носителей, могут привести к оптическим потерям и снижению производительности.

Нитрид кремния

Нитрид кремния обеспечивает исключительно низкие оптические потери и отлично подходит для пассивных фотонных схем. Однако ему не хватает сильного собственного электрооптического эффекта, что ограничивает его способность выполнять эффективную высокоскоростную модуляцию.

Преимущество ниобата лития

Ниобат лития обладает естественным сильным эффектом Поккельса, обеспечивающим прямую и высокоэффективную электрооптическую модуляцию.

К основным преимуществам материала относятся:

Эти характеристики делают ниобат лития особенно привлекательным для высокоскоростных оптических систем связи, требующих низких вносимых потерь и широкой полосы модуляции.

От превосходного материала к масштабируемой платформе

Исторически сложилось так, что основным ограничением ниобата лития была интеграция.

Обычные модуляторы из ниобата лития часто имеют:

• Длина устройства около 10 см
• Высокие производственные затраты
• Значительное энергопотребление
• Зависимость от внешних электрических усилителей

Такие характеристики затрудняли крупномасштабное развертывание в центрах обработки данных искусственного интеллекта.

Появление тонкопленочного ниобата лития на изоляторе (LNOI) фундаментально изменило эту ситуацию.

Достижения в области нанопроизводства и обработки пластин позволили:

• Производство пластин
• Процессы УФ-шаговой литографии
• Высокая воспроизводимость изготовления
• Плотная фотонная интеграция

Сегодня современные платформы LNOI могут обеспечить:

• Потери в волноводе всего 0,05 дБ/см
• Факторы качества (Q) около 6 000 000
• Интегрированные модуляторы, фильтры, резонаторы и генераторы гребенчатых частот.

Эта трансформация превратила ниобат лития из высокоэффективного материала в полноценную платформу фотонной интеграции.

Использование оптических модуляторов нового поколения

Одним из наиболее многообещающих достижений технологии LNOI является ее электрооптический модулятор.

По сравнению с традиционными модуляторами Маха-Цендера (MZM) из ниобата лития, устройства LNOI обеспечивают существенно более высокую эффективность.

Типичная производительность включает в себя:

Модулятор LNOI размером 2 см может работать напрямую с уровнями возбуждения КМОП примерно 1 В, что потенциально устраняет необходимость в специальных электрических усилителях.

Для оптических межсоединений AI это означает:

• Более низкое энергопотребление системы
• Более простая упаковка
• Снижение затрат на инфраструктуру
• Более высокая общая эффективность

Частотные гребенки и интеграция WDM

Помимо модуляции, будущие оптические сети потребуют передовых технологий управления длиной волны.

Мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM) позволяет одновременно передавать несколько каналов данных по одному оптическому волокну, что значительно увеличивает пропускную способность.

Для поддержки систем WDM следующего поколения идеальные гребенки оптических частот должны обеспечивать:

• Плоский спектральный выход
• Высокая оптическая мощность
• Точный интервал частот
• Интеграция в масштабе чипа

LNOI продемонстрировал замечательные возможности в этой области.

Недавние демонстрации позволили добиться:

• 430 гребенчатых линий в полосе пропускания 85 нм
• Разнос каналов 25 ГГц
• Потребляемая радиочастотная мощность около 740 мВт

Другие высокоэффективные электрооптические гребенчатые архитектуры создали:

• 47 гребенчатых линий
• Разнос 25 ГГц
• Потребляемая радиочастотная мощность всего 0,6 Вт

Эти разработки показывают, что LNOI способен поддерживать высокомасштабируемые архитектуры оптической связи.

Выходя за пределы лаборатории

Возможно, самой важной вехой является то, что LNOI больше не ограничивается лабораторными демонстрациями.

Реальные эксперименты по передаче электроэнергии подтвердили ее потенциал для практического применения.

С помощью электрооптической гребенки частот 50 ГГц с плоской вершиной и технологии WDM исследователи продемонстрировали:

• Расстояние передачи по оптоволокну 53 км
• Совокупная скорость передачи данных 6,48 Тбит/с

Такие результаты позволяют предположить, что LNOI быстро переходит от инноваций в отдельных устройствах к решениям для оптических соединений системного уровня.

Заключение

Тонкопленочный ниобат лития представляет собой гораздо больше, чем просто модулятор меньшего размера или волновод с меньшими потерями.

Он объединяет несколько важных возможностей в рамках одной платформы:

• Сверхнизкие оптические потери
• Внутренняя электрооптическая модуляция
• Обработка сигналов с высокой пропускной способностью
• Производство пластин
• Интегрированная генерация частотной гребенки
• Расширенная функциональность WDM

Эти возможности напрямую решают наиболее насущные проблемы, стоящие перед инфраструктурой центров обработки данных с использованием искусственного интеллекта:

• Возрастающие требования к пропускной способности
• Низкое энергопотребление
• Сниженная стоимость за переданный бит
• Более высокая плотность интеграции

Поскольку системы искусственного интеллекта продолжают масштабироваться, будущая производительность может зависеть не только от вычислительной мощности, но и от того, насколько эффективно данные смогут перемещаться между электрическими и оптическими областями.

По этой причине тонкопленочный ниобат лития все чаще рассматривается как одна из наиболее многообещающих основополагающих платформ для оптических межсоединений нового поколения для искусственного интеллекта.