وجهة نظر NVIDIA حول ضوئيات السيليكون

يتطلب النمو الهائل الحالي لنماذج وحسابات الذكاء الاصطناعي عمليات متوازية على وحدات معالجة رسوميات متعددة، مما أدى إلى زيادة في عرض النطاق الترددي للواجهة بين وحدات معالجة الرسومات. NVIDIA هي المستخدم الأكثر مباشرة في سوق الوحدات الضوئية ذات الذكاء الاصطناعي. لقد طرحت العديد من المتطلبات والآفاق للضوئيات المتكاملة: التكلفة المنخفضة <0.25 دولار/جيجابت في الثانية، استهلاك منخفض للطاقة <1.5 بيكوجول/ب، النقل لمسافات طويلة> 500 متر، عرض النطاق الترددي العالي للألياف المفردة> 0.8 تيرابت في الثانية، الحجم الصغير> 0.5 تيرابايت/ مم2، وموثوقية عالية <100 مناسب. الشكل التالي هو مخطط معماري للضوئيات المتكاملة، والذي يستخدم التغليف ثلاثي الأبعاد. يستخدم كل إدخال/إخراج ناقلًا بصريًا ويتم عكس الشريحة الكهربائية على الشريحة الضوئية، حيث يتم تجميع الشريحة الضوئية ووحدة معالجة الرسومات ووحدات HBM والمفاتيح على نفس الوسيط، وتتواصل من خلال الوسيط.

مخطط معماري للضوئيات المتكاملة

في مثل هذا النظام المتكامل عالي الكثافة، يكون أكثر دعمًا للنموذج القائم على MRM DWDM يعتمد هذا بشكل أساسي على الاعتبارات التالية: يمكن تحقيق نقل قناة واحدة بسرعة 25-50 جيجابت في الثانية، واستهلاك الطاقة للشريحة الواحدة <1pJ/bit، ومتوسط ​​مساحة القناة الواحدة صغير مثل 50umx50um، ويمكن تحقيق سعة كبيرة من خلال التكامل عالي الكثافة.

تكمن التحديات الرئيسية لأنظمة DWDM المستندة إلى MRM في أداء أجهزة الضوئيات السيليكونية، والليزر متعدد الأطوال الموجية، والتعبئة المتكاملة، والإدارة الحرارية والتحكم.

• MRM

أول شيء يجب حله في أنظمة DWDM هو الحديث المتبادل للقناة. طيف مرشح لورنتز له ذيول في قنوات أخرى، في حين أن الثنائيات الضوئية والمكونات الأخرى ذات نطاق عريض وليس لها انتقائية لطول الموجة. لذلك، في النظام، يأتي الحديث المتبادل من تأثير التشكيل للقنوات المجاورة في نهاية الإرسال، والحديث المتبادل للقناة المجاورة لـ demux في الطرف المتلقي، والتداخل متعدد المسارات ISI الناجم عن تعديل الحلقة المجاورة. تتطلب MRM عادةً خسارة متوازنة وعرض نطاق تعديل. لن يؤدي انخفاض Q إلى زيادة عرض النطاق الترددي فحسب، بل سيؤدي أيضًا إلى زيادة XT. لذلك، يمكن تقليل التأثير عن طريق زيادة تباعد القنوات أو استخدام مرشح حلقي ذو ترتيب أعلى.

•  الليزر

عادةً ما تحتوي كل ألياف ضوئية على 8-16 قناة، والتي تتطلب أطوال موجية مقابلة. تبلغ طاقة الخرج لكل ليزر ضوئي مقترن بالألياف حوالي 5 ميجاوات. مع الأخذ في الاعتبار خسائر الاقتران، وخسائر الأجهزة السلبية واستهلاك الطاقة، تبلغ الكفاءة حوالي 10%، أي ما يعادل 2 بيكوجول/ب. يتراوح تباعد قنوات الليزر بين 100 و200 جيجا هرتز مع انحراف بنسبة ± 5 إلى 10% فوق درجة الحرارة، وهو ما يأخذ في الاعتبار التكلفة المنخفضة والضوضاء المنخفضة. توجد حاليًا الأنواع التالية من أجهزة الليزر، وأي منها يعتمد على إمكانيات كل شركة.

أشكال الليزر

• تغليف 2.5D

يمكن اختبار الشبكة المزدوجة، وتحمل الاقتران الكبير، وعرض النطاق الترددي الطيفي المنخفض، وخسارة 1-2 ديسيبل، وعادة ما تكون تباعد 127-250 ميكرومتر، وتعبئتها على الرقاقة.

اقتران نهاية الوجه، يتطلب دقة اقتران أعلى، وعرض نطاق طيفي عالي، ومساعدات تصنيع إضافية (أخاديد على شكل حرف V، ومواد وصفية).

كلا الحلين المذكورين أعلاه مقبولان، لكن يجب أن يكونا قويين ميكانيكيًا. من الأفضل استخدام EIC/PIC المستقل لتحقيق أفضل عملية. يوجد EIC على PIC، ويستخدم PIC TSV لتوصيل EIC واتصال المتدخل. الشيء الرئيسي هو الإدارة الحرارية للهيكل بأكمله.

• المحاكاة الحرارية

أداء الجهاز لرقائق الضوئيات السيليكونية حساس للحرارة، ورقائق ASIC وEIC عبارة عن مولدات حرارة عالية. الشكل أدناه عبارة عن رسم تخطيطي محاكاة، حيث يتم توزيع طاقة ASIC بالتساوي على الشريحة، وتكون طاقة EIC ثابتة، وتتغير درجة حرارة تدفق الحرارة مباشرة من ASIC إلى PIC وEIC. من خلال إضافة البلاستيك مباشرة إلى PIC وASIC، يمكن تحقيق عزل جيد ولن يتجاوز ارتفاع درجة الحرارة 10K. تبلغ التغيرات في درجة حرارة MRM الموجودة على الرقاقة وMRM المجاورة من خلال فيلم المراقبة 11 كلفن و0.7 كلفن على التوالي.