La era de la comunicación óptica con IA: tres cambios importantes en la industria para el CPO

La óptica coempaquetada (CPO) es un nuevo tipo de tecnología de integración optoelectrónica. La CPO se basa en una tecnología de empaquetado avanzada que integra módulos transceptores ópticos y chips ASIC (circuito integrado de aplicación específica) en un único paquete para formar un microsistema con funciones específicas.

La tecnología CPO acorta aún más la longitud de interconexión eléctrica entre la entrada de la señal óptica y las unidades de computación. Esto no solo aumenta la densidad de interconexión entre los módulos ópticos y los chips ASIC, sino que también logra un menor consumo de energía. Es una solución técnica importante para el problema de la transmisión a alta velocidad de datos masivos en el futuro procesamiento de big data.

Según datos de Cisco, de 2010 a 2022, el ancho de banda de conmutación de red de los centros de datos globales aumentó 80 veces. Sin embargo, la contrapartida fue un aumento de 8 veces en el consumo de energía del chip de conmutación, un aumento de 26 veces en el consumo de energía del módulo óptico y un aumento de 25 veces en el consumo de energía de SerDes (serializador/deserializador) en los chips de conmutación. Dado que las interfaces ópticas se basan en la tecnología híbrida analógico-digital SerDes, su eficiencia energética evoluciona más lentamente que la parte ASIC. El costo por bit y la tasa de reducción del consumo de energía de las interfaces ópticas están muy por detrás de los de los ASIC de conmutación. Para reducir aún más el consumo de energía, es necesario acortar la distancia de SerDes o reducir el número de SerDes. Por lo tanto, han surgido nuevas tecnologías como OBO (óptica integrada), NPO (óptica casi empaquetada) y CPO en las arquitecturas de sistemas de interconexión óptica.

Los principales cambios en la industria de CPO en la era de la comunicación óptica con IA

Desarrollo acelerado de la tecnología de fotónica de silicio; maduración continua de los motores de fotónica de silicio CPO

Como tecnología central de CPO, los motores fotónicos de silicio están madurando rápidamente en la era de la comunicación óptica de IA. La tecnología fotónica de silicio es una plataforma ideal para integrar la fotónica y la microelectrónica. En la sociedad de la información actual, caracterizada por la "computación electrónica, la transmisión óptica", los cuellos de botella técnicos de la microelectrónica/optoelectrónica son cada vez más evidentes. Se espera que la optoelectrónica basada en silicio, compatible con el proceso microelectrónico CMOS maduro, se convierta en la mejor solución para integrar la fotónica y la microelectrónica. Como solución principal para los motores ópticos CPO actuales, se espera que la madurez de la tecnología fotónica de silicio impulse aún más el desarrollo de CPO.

(1) Desde la perspectiva de las aplicaciones de la tecnología fotónica de silicio, esta tecnología sirve como tecnología subyacente para los módulos fotónicos de silicio, los motores ópticos CPO y OIO. En la era de la alta velocidad, se espera que la expansión de la comunicación óptica fotónica de silicio catalice aún más la maduración de la tecnología de los motores fotónicos de silicio.

Se espera que la fotónica de silicio como tecnología de comunicación óptica se beneficie plenamente del desarrollo de AIGC (contenido generado por IA). Se espera que la tecnología de fotónica de silicio en los centros de datos, ya sea en el lado del chip (OIO), del dispositivo (CPO), en los módulos ópticos entre dispositivos o en la comunicación óptica coherente entre centros de datos, experimente un mayor desarrollo.

• Desde la perspectiva del ritmo de desarrollo de la fotónica de silicio, las empresas globales están promoviendo activamente el desarrollo de la tecnología de fotónica de silicio, mejorando aún más la cadena de la industria de la fotónica de silicio.

En la actualidad, la industria de la tecnología fotónica de silicio aún se encuentra en desarrollo y la cadena industrial va tomando forma gradualmente. En la actualidad, abarca diversos aspectos, entre los que se incluyen instituciones de investigación de vanguardia, proveedores de herramientas de diseño, vendedores de módulos de chips para dispositivos, fundiciones, empresas de TI, fabricantes de equipos de sistemas y usuarios. Alrededor de 2010, el sistema de investigación de la fotónica de silicio comenzó a pasar de estar liderado por instituciones académicas a estar impulsado por los fabricantes. Existen varios modelos principales de desarrollo para la tecnología fotónica de silicio:

• Apoyo a proyectos nacionales: por ejemplo, Estados Unidos lanzó la “Iniciativa Nacional de Fotónica” en 2014, financiando la creación de un instituto de fotónica integrada. Posteriormente, en 2015, se creó el Instituto de Fotónica AIM con una inversión de 610 millones de dólares para estandarizar la plataforma de fotónica integrada, reuniendo a varios segmentos de la cadena industrial. Otros proyectos e instituciones de investigación relacionados a nivel mundial incluyen el programa de investigación de producción en masa del módulo de fotónica de silicio Leti de la UE.
• Inversión de gigantes de TI: Empresas como Intel e IBM han estado comprometidas con la investigación de tecnología fotónica de silicio desde aproximadamente 2003, realizando inversiones sustanciales y a largo plazo.
• Pequeñas empresas emergentes: inicialmente financiadas por capital de riesgo, estas empresas son adquiridas posteriormente por empresas más grandes para una inversión sostenida, un modelo de desarrollo clave para la fotónica de silicio. Algunos ejemplos son Acacia y SiFotonics.
• Empresas emergentes: Algunas empresas emergentes de reciente creación también contribuyen significativamente al desarrollo de la fotónica de silicio.

(3) Desde la perspectiva de las oportunidades de la industria de la fotónica de silicio, la prosperidad de las soluciones de fotónica de silicio continúa aumentando, lo que brinda una oportunidad favorable para que las empresas ingresen a la industria de CPO.

La 25.ª Exposición Internacional de Optoelectrónica de China (CIOE 2024) se celebró del 11 al 13 de septiembre de 2024 en el Centro Internacional de Convenciones y Exposiciones de Shenzhen. Impulsada por la IA, se ha acelerado la rápida actualización de chips optoelectrónicos y dispositivos/motores ópticos a módulos ópticos hacia velocidades más altas. Al mismo tiempo, las nuevas tecnologías representadas por la fotónica de silicio/CPO/niobato de litio de película delgada/óptica coherente están madurando continuamente. Entre ellas, la madurez y la atención del mercado de la tecnología de fotónica de silicio han aumentado significativamente, con numerosas empresas invirtiendo en tecnología de fotónica de silicio.

Los principales fabricantes implementan activamente el CPO, lo que cataliza aún más el desarrollo de la industria

Los principales fabricantes de chips están implementando activamente Tecnología CPO, lanzando continuamente prototipos CPO de fotónica de silicio. Los principales fabricantes de chips han presentado varias soluciones CPO, incluidos Intel, Broadcom, Raonvus, AMD, Marvell y Cisco, que han mostrado prototipos CPO en recientes exhibiciones OFC, logrando una mayor capacidad de conmutación y un menor consumo de energía. Empresas como Nvidia y TSMC también han demostrado sus planes CPO. Creemos que, por un lado, es probable que la tecnología CPO basada en motores de fotónica de silicio, como la solución principal, se beneficie del desarrollo de la tecnología de fotónica de silicio. Por otro lado, se espera que la entrada de fabricantes líderes acelere aún más la mejora y el desarrollo de la cadena industrial CPO.

Intel ha estado investigando y desarrollando activamente módulos ópticos enchufables y moduladores de microring. Desde 2020, ha estado aprovechando su plataforma de proceso de fotónica de silicio para construir sistemas CPO (óptica coempaquetada) basados ​​en moduladores de microring. En la conferencia “OFC 2020”, Intel presentó su primer prototipo CPO, que integra un motor de fotónica de silicio de 1.6 Tbit/s con un conmutador Ethernet programable de 12.8 Tbit/s, al tiempo que considera la gestión térmica en su diseño arquitectónico. En la IEEE ISSCC de 2024, Intel anunció los últimos avances en su tecnología CPO, logrando una velocidad de transmisión de señal de 4x64 Gb/s con un bajo consumo de energía del sistema de solo 1.3 pl/bit. Intel y Ayar Labs, que han colaborado durante muchos años, mostraron la integración de dos chiplets TeraPHY OIO de 4 Tb/s en FPGAs Intel Agilex en la conferencia Supercomputing 2023, respaldados por dos fuentes de luz SuperNova que permiten una comunicación óptica de alta velocidad con 64 canales ópticos en cada chiplet.

Broadcom presentó su primer conmutador CPO en la conferencia “OFC 2022”, que combina el chip de conmutación Tomahawk25.6 de 4 Tbps con un motor óptico. En 2023, Broadcom presentó el Strata Tomahawk XGS5, que cuenta con una capacidad de conmutación de 51.2 Tbps, consume solo 5.5 W de energía y admite 800Gbps Velocidades de datos. En la conferencia "OFC 2024", Broadcom anunció que había entregado a los clientes el primer conmutador Ethernet CPO de 51.2 Tbps de la industria, el Bailly. Este producto integra ocho motores ópticos fotónicos de silicio de 6.4 Tbps con el chip de conmutación StrataXGS Tomahawk5, lo que reduce el consumo de energía de interconexión óptica en un 70% y aumenta la eficiencia del área de silicio ocho veces.

Ranovus presentó la arquitectura CPO 2.0 de control analógico de la marca Odin en la conferencia “OFC 2021”. Desarrollada en colaboración con IBM, TE y Senko, esta arquitectura logra una reducción del 40 % en el consumo de energía y ahorros de costos al eliminar las funciones de resincronización e implementar una solución de chip único que ahorra CI. En “OFC 2023”, Ranovus demostró la combinación de un motor fotónico de silicio de accionamiento directo de 800G con chips FPGA de AMD.

Marvell presentó su primer prototipo CPO con un ancho de banda de 1.6 Tbit/s en la conferencia “OFC 2022”. En “OFC 2023”, Marvell presentó un chip de conmutación de 51.2 Tbit/s.

Cisco demostró un prototipo de conmutador de 25.6 T basado en tecnología CPO en “OFC 2023”, con ocho motores fotónicos de silicio de 3.2 T, cada uno equipado con ocho 400G-FR4 chips fotónicos de silicio, donde cada motor óptico tiene una velocidad de canal único de 100 Gbps.

Nvidia ha estado desarrollando CPO de fotónica de silicio. En la conferencia “GTC 2020”, Nvidia presentó un diagrama de arquitectura de sistema que interconecta GPU y chips de conmutación a través de CPO y ha estado colaborando activamente con empresas como TSMC y Ayar Labs para desarrollar tecnología CPO.

TSMC comenzó a colaborar con Luxtera en 2017 para desarrollar una plataforma de proceso fotónico de silicio de 12 pulgadas en el nodo de 65 nm. Posteriormente, TSMC introdujo un encapsulado avanzado y lanzó la plataforma COUPE1.0/2.0, con una hoja de ruta de desarrollo que apunta a lograr un motor óptico de 6.4 Tbps para 2025.

TSMC ha anunciado el lanzamiento de la plataforma COUPE. En el Simposio de Tecnología de América del Norte de 2024, TSMC dio a conocer su hoja de ruta del motor óptico 3D, que prevé proporcionar conexiones ópticas de hasta 12.8 Tbps para los procesadores fabricados por TSMC. Dado que el cableado de cobre no puede satisfacer las crecientes demandas de ancho de banda, la fotónica de silicio está preparada para convertirse en una tecnología fundamental para los futuros centros de datos. El Compact Universal Photonics Engine (COUPE) es uno de los logros más importantes en el campo de la fotónica de silicio. Esta tecnología utiliza la tecnología de encapsulado SoIC-X de TSMC, apilando circuitos electrónicos integrados (EIC) sobre circuitos fotónicos integrados (PIC) para formar una estructura EIC sobre PIC. Esta estructura logra la menor impedancia en la interfaz de chip a chip, lo que da como resultado la máxima eficiencia energética. Además, COUPE presenta un diseño integrado compacto, amplia compatibilidad de longitudes de onda, conversión optoelectrónica eficiente, escalabilidad y flexibilidad, lo que lo hace adecuado para diversas aplicaciones de interconexión óptica y satisface diversas necesidades.

Actualmente, los motores ópticos 3D de TSMC se encuentran en la etapa de desarrollo, con planes de mejorar gradualmente las velocidades de transmisión y acercar las conexiones ópticas a los procesadores. El plan de desarrollo de COUPE incluye tres etapas, cada una enfocada en aumentar las velocidades de transmisión y reducir el consumo de energía:

1. 2025: El motor óptico 3D de primera generación de TSMC se integrará en dispositivos enchufables OSFP que funcionan a velocidades de 1.6 Tbps, duplicando la velocidad máxima de las soluciones Ethernet basadas en cobre actuales. El COUPE de primera generación tiene como objetivo lograr un alto ancho de banda y mejorar la eficiencia energética, dos cuestiones críticas en los centros de datos modernos.
2. 2026: Los productos fotónicos de silicio de segunda generación de TSMC planean integrar COUPE en el empaquetado CoWoS, logrando un empaquetado conjunto de chips de conmutación y dispositivos ópticos. Esto permitirá interconexiones ópticas a nivel de placa base a velocidades de hasta 6.4 Tbps. Se espera que el consumo de energía de segunda generación sea inferior al 50 % de la primera generación, y se proyecta que la latencia sea inferior al 10 % de la primera generación.
3. Tercera generación: el objetivo es integrar COUPE en el encapsulado del procesador, con COUPE operando sobre CoWoS Interposer, apuntando a una tasa de transmisión de 12.8 Tbps y acercando las conexiones ópticas al procesador. Esta etapa aún se encuentra en fase exploratoria sin una fecha de lanzamiento clara, pero TSMC pretende reducir aún más el consumo de energía y la latencia.

La era de la IA y el aumento de la demanda de conmutadores de alta velocidad

La era de la IA está impulsando la demanda de conmutadores de alta velocidad, lo que resalta las ventajas de las soluciones CPO. A medida que las interconexiones ópticas penetran cada vez más en los bastidores y los sistemas informáticos, los conmutadores (dispositivos de red centrales en las redes de comunicación óptica) están evolucionando hacia la alta velocidad, múltiples puertos y bajo consumo de energía para satisfacer los crecientes requisitos de los clústeres de IA. La era de la IA presenta una importante oportunidad de mercado para los conmutadores de soluciones CPO.

El desarrollo del ancho de banda de la IA acelera la evolución de las velocidades de interconexión. Desde 2019, la industria global de los centros de datos ha entrado en el centro del escenario de la potencia informática. Según datos de Cisco, el ancho de banda de conmutación de la red global de centros de datos se multiplicó por 80 entre 2010 y 2022. El rápido desarrollo de AIGC (contenido generado por inteligencia artificial) ha impulsado aún más las actualizaciones de la arquitectura de red y las iteraciones de aceleración de GPU, lo que ha aumentado la demanda de un mayor ancho de banda entre dispositivos. Como 2023 marcó el año inaugural de la IA, las velocidades de interconexión se duplicaron en la mitad del tiempo. La evolución de los chips de conmutación de los centros de datos se encuentra ahora en una fase de duplicación de la capacidad cada dos años, con expectativas de alcanzar una capacidad de 102.4 T para 2025, lo que corresponde a puertos ópticos de 1.6 T.