عصر الاتصالات البصرية بالذكاء الاصطناعي: ثلاثة تغييرات صناعية كبرى لـ CPO

تعد تقنية Co-Packaged Optics (CPO) نوعًا جديدًا من تقنيات التكامل الكهروضوئي. تعتمد تقنية Co-Packaged Optics على تقنية التغليف المتقدمة، حيث يتم دمج وحدات الإرسال والاستقبال الضوئية وشرائح ASIC (الدوائر المتكاملة المخصصة للتطبيق) في حزمة واحدة لتشكيل نظام دقيق بوظائف محددة.

تعمل تقنية CPO على تقصير طول الترابط الكهربائي بين مدخل الإشارة الضوئية ووحدات الحوسبة. وهذا لا يزيد فقط من كثافة الترابط بين الوحدات الضوئية وشرائح ASIC، بل يحقق أيضًا استهلاكًا أقل للطاقة. إنه حل تقني مهم لمشكلة النقل عالي السرعة للبيانات الضخمة في معالجة البيانات الضخمة في المستقبل.

وفقًا لبيانات شركة سيسكو، من عام 2010 إلى عام 2022، زاد عرض النطاق الترددي لتبديل الشبكة لمراكز البيانات العالمية بمقدار 80 مرة. ومع ذلك، كانت المقايضة عبارة عن زيادة بمقدار 8 أضعاف في استهلاك طاقة شريحة التبديل، وزيادة بمقدار 26 ضعفًا في استهلاك طاقة الوحدة الضوئية، وزيادة بمقدار 25 ضعفًا في استهلاك الطاقة لـ SerDes (Serializer/Deserializer) في شرائح التبديل. نظرًا لأن الواجهات الضوئية تعتمد على تقنية SerDes الهجينة التناظرية الرقمية، فإن كفاءة الطاقة الخاصة بها تتطور بشكل أبطأ من جزء ASIC. تتخلف تكلفة البت ومعدل خفض استهلاك الطاقة للواجهات الضوئية كثيرًا عن تلك الخاصة بـ ASICs للتبديل. لمزيد من تقليل استهلاك الطاقة، من الضروري تقصير مسافة SerDes أو تقليل عدد SerDes. وبالتالي، ظهرت تقنيات جديدة مثل OBO (البصريات على اللوحة) و NPO (البصريات شبه المعبأة) و CPO في هياكل أنظمة الربط الضوئي.

التغييرات الرئيسية في صناعة CPO في عصر الاتصالات البصرية بالذكاء الاصطناعي

التطور السريع لتكنولوجيا فوتونيات السيليكون؛ النضج المستمر لمحركات فوتونيات السيليكون CPO

باعتبارها التكنولوجيا الأساسية لـ CPO، تنضج محركات فوتونيات السيليكون بسرعة في عصر الاتصالات البصرية بالذكاء الاصطناعي. تعد تقنية فوتونيات السيليكون منصة مثالية لدمج الفوتونيات والإلكترونيات الدقيقة. في مجتمع المعلومات اليوم، الذي يتميز بـ "الحوسبة الإلكترونية، النقل البصري"، أصبحت الاختناقات الفنية للإلكترونيات الدقيقة/البصرية واضحة بشكل متزايد. من المتوقع أن تصبح الإلكترونيات البصرية القائمة على السيليكون، المتوافقة مع عملية الإلكترونيات الدقيقة CMOS الناضجة، أفضل حل لدمج الفوتونيات والإلكترونيات الدقيقة. كحل رئيسي لمحركات بصرية CPO الحالية، من المتوقع أن يؤدي نضج تقنية فوتونيات السيليكون إلى دفع تطوير CPO بشكل أكبر.

(1) من منظور تطبيقات تكنولوجيا فوتونيات السيليكون، تعمل تكنولوجيا فوتونيات السيليكون كتكنولوجيا أساسية لوحدات فوتونيات السيليكون، ومحركات البصريات CPO وOIO. في عصر السرعة العالية، من المتوقع أن يؤدي توسع الاتصالات البصرية فوتونيات السيليكون إلى تحفيز نضوج تكنولوجيا محركات فوتونيات السيليكون.

من المتوقع أن تستفيد فوتونيات السيليكون كتكنولوجيا اتصالات بصرية بشكل كامل من تطوير AIGC (المحتوى الناتج عن الذكاء الاصطناعي). ومن المتوقع أن تشهد تكنولوجيا فوتونيات السيليكون في مراكز البيانات، سواء على جانب الشريحة (OIO)، أو جانب الجهاز (CPO)، أو وحدات بصرية بين الأجهزة، أو الاتصالات البصرية المتماسكة بين مراكز البيانات، مزيدًا من التطوير.

• من منظور وتيرة تطوير فوتونيات السيليكون، تعمل الشركات العالمية بشكل نشط على تعزيز تطوير تكنولوجيا فوتونيات السيليكون، مما يؤدي إلى تحسين سلسلة صناعة فوتونيات السيليكون بشكل أكبر.

في الوقت الحاضر، لا تزال صناعة تكنولوجيا فوتونيات السيليكون في طور النمو، حيث تتشكل سلسلة الصناعة تدريجيًا. وهي تغطي الآن جوانب مختلفة، بما في ذلك مؤسسات البحث المتطورة، ومقدمي أدوات التصميم، وبائعي وحدات شرائح الأجهزة، والمصانع، وشركات تكنولوجيا المعلومات، ومصنعي معدات النظام، والمستخدمين. حوالي عام 2010، بدأ نظام أبحاث فوتونيات السيليكون في التحول من كونه بقيادة المؤسسات الأكاديمية إلى كونه بقيادة الشركات المصنعة. هناك العديد من نماذج التطوير الرئيسية لتكنولوجيا فوتونيات السيليكون:

• دعم المشاريع الوطنية: على سبيل المثال، أطلقت الولايات المتحدة "المبادرة الوطنية للفوتونيات" في عام 2014، لتمويل إنشاء معهد للفوتونيات المتكاملة. وفي وقت لاحق، في عام 2015، تم إنشاء معهد AIM للفوتونيات باستثمار قدره 610 ملايين دولار لتوحيد منصة الفوتونيات المتكاملة، وجمع قطاعات مختلفة من سلسلة الصناعة. وتشمل المشاريع والمؤسسات البحثية العالمية الأخرى ذات الصلة برنامج أبحاث الإنتاج الضخم لوحدة الفوتونيات السيليكونية Leti التابعة للاتحاد الأوروبي.
• الاستثمارات من قبل شركات تكنولوجيا المعلومات العملاقة: لقد التزمت شركات مثل إنتل وإي بي إم بأبحاث تكنولوجيا فوتونيات السيليكون منذ عام 2003 تقريبًا، حيث قامت باستثمارات طويلة الأجل وملموسة.
• الشركات الناشئة الصغيرة: يتم تمويل هذه الشركات في البداية من خلال رأس المال الاستثماري، ثم يتم الاستحواذ عليها لاحقًا من قبل شركات أكبر للحصول على استثمار مستدام، وهو نموذج تطوير رئيسي للفوتونيات السليكونية. ومن الأمثلة على ذلك شركتي Acacia وSiFotonics.
• الشركات الناشئة: تساهم بعض الشركات الناشئة الجديدة أيضًا بشكل كبير في تطوير فوتونيات السيليكون.

(3) من منظور فرص صناعة فوتونيات السيليكون، فإن ازدهار حلول فوتونيات السيليكون يستمر في الازدياد، مما يوفر فرصة مواتية للشركات لدخول صناعة منتجات الفوتونيات السيليكونية.

أقيم المعرض الصيني الدولي الخامس والعشرون للبصريات الإلكترونية (CIOE 25) في الفترة من 2024 إلى 11 سبتمبر 13، في مركز شنتشن الدولي للمؤتمرات والمعارض. وبفضل الذكاء الاصطناعي، تسارعت وتيرة الترقية السريعة من الرقائق البصرية الإلكترونية والأجهزة/المحركات البصرية إلى الوحدات البصرية نحو سرعات أعلى. وفي الوقت نفسه، تنضج التقنيات الجديدة المتمثلة في فوتونيات السيليكون/CPO/نيوبات الليثيوم الرقيق/البصريات المتماسكة باستمرار. ومن بينها، زاد نضج واهتمام السوق بتكنولوجيا فوتونيات السيليكون بشكل كبير، مع استثمار العديد من الشركات في تكنولوجيا فوتونيات السيليكون.

الشركات المصنعة الرائدة تنشر منتجات CPO بشكل نشط، مما يحفز تطوير الصناعة بشكل أكبر

تقوم شركات تصنيع الرقائق الرائدة بنشرها بنشاط تكنولوجيا CPO، إطلاق نماذج أولية من فوتونيات السيليكون CPO بشكل مستمر. تم تقديم العديد من حلول CPO من قبل كبار مصنعي الرقائق، بما في ذلك Intel وBroadcom وRaonvus وAMD وMarvell وCisco، والتي عرضت جميعها نماذج أولية من CPO في معارض OFC الأخيرة، مما أدى إلى زيادة سعة التبديل وتقليل استهلاك الطاقة. كما عرضت شركات مثل Nvidia وTSMC خططها الخاصة بـ CPO. نعتقد أنه من ناحية، من المرجح أن تستفيد تقنية CPO القائمة على محركات فوتونيات السيليكون، باعتبارها الحل السائد، من تطوير تقنية فوتونيات السيليكون. من ناحية أخرى، من المتوقع أن يؤدي دخول الشركات المصنعة الرائدة إلى تسريع تحسين وتطوير سلسلة صناعة CPO.

كانت شركة إنتل تبحث وتطور بنشاط وحدات بصرية قابلة للتوصيل ومعدلات حلقات دقيقة. منذ عام 2020، كانت تستفيد من منصة عملية فوتونيات السيليكون لبناء أنظمة CPO (البصريات المعبأة بشكل مشترك) القائمة على معدلات حلقات دقيقة. في مؤتمر "OFC 2020"، قدمت إنتل أول نموذج أولي لـ CPO، والذي يدمج محرك فوتونيات السيليكون بسرعة 1.6 تيرابت/ثانية مع مفتاح إيثرنت قابل للبرمجة بسرعة 12.8 تيرابت/ثانية، مع مراعاة الإدارة الحرارية في تصميمه المعماري. في مؤتمر IEEE ISSCC لعام 2024، أعلنت إنتل عن أحدث التطورات في تقنية CPO الخاصة بها، حيث حققت معدل نقل إشارة يبلغ 4x64 جيجابت/ثانية مع استهلاك منخفض للطاقة في النظام يبلغ 1.3 بيكريل/بت فقط. بعد سنوات عديدة من التعاون بين Intel وAyar Labs، استعرضت الشركتان دمج شريحتين من نوع TeraPHY OIO بسرعة 4 تيرابايت في الثانية في شرائح Intel Agilex FPGA في مؤتمر Supercomputing 2023، بدعم من مصدرين للضوء من نوع SuperNova يتيحان الاتصال البصري عالي السرعة مع 64 قناة بصرية على كل شريحة.

كشفت شركة Broadcom عن أول مفتاح CPO الخاص بها في مؤتمر "OFC 2022"، والذي يجمع بين شريحة مفتاح Tomahawk25.6 بسرعة 4 تيرابايت في الثانية ومحرك بصري. في عام 2023، قدمت شركة Broadcom مفتاح Strata Tomahawk XGS5، الذي يتميز بسعة تحويل تبلغ 51.2 تيرابايت في الثانية، ويستهلك 5.5 وات فقط من الطاقة، ويدعم 800Gbps في مؤتمر "OFC 2024"، أعلنت شركة Broadcom أنها سلمت أول محول إيثرنت CPO بسرعة 51.2 تيرابايت في الثانية في الصناعة، Bailly، للعملاء. يدمج هذا المنتج ثمانية محركات بصرية فوتونية سيليكونية بسرعة 6.4 تيرابايت في الثانية مع شريحة المحول StrataXGS Tomahawk5، مما يقلل من استهلاك طاقة الربط البصري بنسبة 70% ويزيد من كفاءة مساحة السيليكون بمقدار ثماني مرات.

أطلقت شركة Ranovus بنية CPO 2.0 ذات الدفع التناظري من العلامة التجارية Odin في مؤتمر "OFC 2021". تم تطوير هذه البنية بالتعاون مع IBM وTE وSenko، وتحقق انخفاضًا بنسبة 40% في استهلاك الطاقة وتوفير التكاليف من خلال التخلص من وظائف إعادة التوقيت وتنفيذ حل رقاقة واحدة فعال من IC. في "OFC 2023"، أظهرت شركة Ranovus مزيجًا من محرك فوتونيات السيليكون المباشر 800G مع شرائح FPGA من AMD.

عرضت مارفيل أول نموذج أولي لـ CPO بنطاق ترددي يبلغ 1.6 تيرابايت/ثانية في مؤتمر "OFC 2022". وفي "OFC 2023"، قدمت مارفيل شريحة تحويل بسرعة 51.2 تيرابايت/ثانية.

عرضت شركة سيسكو نموذجًا أوليًا لمفتاح 25.6T يعتمد على تقنية CPO في "OFC 2023"، والذي يتميز بثمانية محركات فوتونية سيليكونية 3.2T، كل منها مزود بثمانية 400G-FR4 رقائق الفوتونيات السيليكونية، حيث يتمتع كل محرك بصري بمعدل قناة واحدة يبلغ 100 جيجابايت في الثانية.

كانت شركة Nvidia تعمل على تطوير فوتونيات السيليكون CPO. في مؤتمر "2020 GTC"، عرضت شركة Nvidia مخططًا لهندسة النظام يربط بين وحدات معالجة الرسوميات وشرائح التبديل من خلال CPO، وكانت تتعاون بنشاط مع شركات مثل TSMC وAyar Labs لتطوير تقنية CPO.

بدأت شركة TSMC التعاون مع Luxtera في عام 2017 لتطوير منصة معالجة فوتونيات السيليكون مقاس 12 بوصة عند عقدة 65 نانومتر. بعد ذلك، قدمت شركة TSMC التغليف المتقدم وأطلقت منصة COUPE1.0/2.0، مع خريطة طريق تطوير تهدف إلى تحقيق محرك بصري بسرعة 6.4 تيرابايت في الثانية بحلول عام 2025.

أعلنت شركة TSMC عن إطلاق منصة COUPE. في ندوة التكنولوجيا لأمريكا الشمالية لعام 2024، كشفت شركة TSMC عن خارطة طريق محركها البصري ثلاثي الأبعاد، وتخطط لتوفير اتصالات بصرية تصل إلى 3 تيرابايت في الثانية للمعالجات التي تصنعها شركة TSMC. ونظرًا لأن الكابلات النحاسية لا يمكنها تلبية متطلبات النطاق الترددي المتزايدة، فإن فوتونيات السيليكون على استعداد لأن تصبح تقنية بالغة الأهمية لمراكز البيانات المستقبلية. يعد محرك الفوتونيات العالمي المدمج (COUPE) أحد الإنجازات المهمة في مجال فوتونيات السيليكون. تستخدم هذه التقنية تقنية التغليف SoIC-X من شركة TSMC، حيث تقوم بتكديس الدوائر المتكاملة الإلكترونية (EIC) فوق الدوائر المتكاملة الفوتونية (PIC) لتشكيل بنية EIC-on-PIC. تحقق هذه البنية أدنى معاوقة عند واجهة الشريحة إلى الشريحة، مما يؤدي إلى أقصى قدر من كفاءة الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، يتميز COUPE بتصميم مدمج ومدمج، وتوافق مع الطول الموجي الواسع، وتحويل ضوئي إلكتروني فعال، وقابلية للتطوير، والمرونة، مما يجعله مناسبًا لتطبيقات الربط البصري المختلفة وتلبية الاحتياجات المتنوعة.

حاليًا، توجد محركات البصريات ثلاثية الأبعاد من TSMC في مرحلة التطوير، مع خطط لتعزيز سرعات النقل تدريجيًا وتقريب الاتصالات البصرية من المعالجات. تتضمن خطة تطوير COUPE ثلاث مراحل، تركز كل منها على زيادة معدلات النقل وتقليل استهلاك الطاقة:

1. 2025: سيتم دمج الجيل الأول من محرك البصريات ثلاثي الأبعاد من شركة TSMC في أجهزة OSFP القابلة للتوصيل والتي تعمل بسرعات 3 تيرابايت في الثانية، مما يضاعف الحد الأقصى لمعدل حلول Ethernet الحالية القائمة على النحاس. يهدف الجيل الأول من COUPE إلى تحقيق عرض نطاق ترددي عالي وتحسين كفاءة الطاقة، وهما قضيتان بالغتا الأهمية في مراكز البيانات الحديثة.
2. 2026: تخطط شركة TSMC لدمج COUPE في عبوات CoWoS في منتجات فوتونيات السيليكون من الجيل الثاني، مما يحقق التعبئة المشتركة لشرائح التبديل والأجهزة البصرية. سيمكن هذا من توصيلات بصرية على مستوى اللوحة الأم بسرعات تصل إلى 6.4 تيرابايت في الثانية. ومن المتوقع أن يكون استهلاك الطاقة من الجيل الثاني أقل من 50% من الجيل الأول، مع توقع أن يكون زمن الوصول أقل من 10% من الجيل الأول.
3. الجيل الثالث: الهدف هو دمج COUPE في حزمة المعالج، مع تشغيل COUPE على CoWoS Interposer، واستهداف معدل نقل يبلغ 12.8 تيرابايت في الثانية مع تقريب الاتصالات الضوئية من المعالج. لا تزال هذه المرحلة في مرحلة الاستكشاف دون تاريخ إصدار واضح، لكن شركة TSMC تهدف إلى تقليل استهلاك الطاقة وزمن الوصول بشكل أكبر.

عصر الذكاء الاصطناعي ونمو الطلب على المحولات عالية السرعة

إن عصر الذكاء الاصطناعي يقود الطلب على المفاتيح عالية السرعة، مما يسلط الضوء على مزايا حلول CPO. ومع اختراق الترابطات الضوئية بشكل متزايد للرفوف وأنظمة الحوسبة، تتطور المفاتيح - أجهزة الشبكة المركزية في شبكات الاتصالات الضوئية - نحو السرعة العالية والمنافذ المتعددة واستهلاك الطاقة المنخفض لتلبية المتطلبات المتزايدة لمجموعات الذكاء الاصطناعي. يقدم عصر الذكاء الاصطناعي فرصة سوقية كبيرة لمفاتيح حلول CPO.

إن تطوير عرض النطاق الترددي للذكاء الاصطناعي يسرع من تطور سرعات الربط البيني. منذ عام 2019، دخلت صناعة مراكز البيانات العالمية مركز قوة الحوسبة. وفقًا لبيانات سيسكو، زاد عرض النطاق الترددي لتبديل شبكة مركز البيانات العالمية بمقدار 80 ضعفًا من عام 2010 إلى عام 2022. وقد أدى التطور السريع لـ AIGC (المحتوى الناتج عن الذكاء الاصطناعي) إلى زيادة ترقيات بنية الشبكة وتكرارات تسريع وحدة معالجة الرسومات، مما زاد الطلب على عرض نطاق ترددي أعلى بين الأجهزة. نظرًا لأن عام 2023 يمثل العام الافتتاحي للذكاء الاصطناعي، فقد تضاعفت سرعات الربط البيني في نصف الوقت. إن تطور شرائح تبديل مركز البيانات يمر الآن بمرحلة مضاعفة السعة كل عامين، مع توقعات بالوصول إلى سعة 102.4 تيرابايت بحلول عام 2025، وهو ما يعادل 1.6 تيرابايت من المنافذ الضوئية.