Le point de vue de NVIDIA sur la photonique sur silicium

La croissance explosive actuelle des modèles et des calculs d’IA nécessite des opérations parallèles sur plusieurs GPU, ce qui a conduit à une augmentation de la bande passante d’interface entre les GPU. NVIDIA est l'utilisateur le plus direct sur le marché des modules optiques AI. Elle a mis en avant plusieurs exigences et perspectives pour la photonique intégrée : faible coût < 0.25 $/Gbps, faible consommation électrique < 1.5 pJ/b, transmission longue distance > 500 m, bande passante élevée monofibre > 0.8 Tbps, petite taille > 0.5 Tbps/ mm2 et haute fiabilité < 100 FIT. La figure suivante est son schéma d'architecture pour la photonique intégrée, qui utilise un packaging 3D. Chaque IO utilise une transmission optique et la puce électrique est inversée sur la puce optique, avec la puce optique, le GPU, les HBM et le commutateur emballés sur le même interposeur, communiquant via l'interposeur.

Schéma d'architecture pour la photonique intégrée

Dans un système intégré à haute densité, il est plus favorable à la gestion des ressources de stockage (MRM). DWDM Liens. Il est principalement basé sur les considérations suivantes : une transmission monocanal de 25 à 50 Gbit/s peut être obtenue, la consommation d'énergie d'une seule puce est < 1 pJ/bit, la surface moyenne d'un seul canal est aussi petite que 50 um x 50 um et une grande capacité peut être obtenue grâce à une intégration haute densité.

Les principaux défis des systèmes DWDM basés sur MRM résident dans les performances des dispositifs photoniques sur silicium, les lasers multi-longueurs d'onde, le packaging intégré, la gestion et le contrôle thermique.

• MRM

La première chose à résoudre dans les systèmes DWDM est la diaphonie des canaux. Le spectre du filtre de Lorentz a des queues dans d'autres canaux, tandis que les photodiodes et autres composants sont à large bande et n'ont aucune sélectivité en longueur d'onde. Par conséquent, dans le système, la diaphonie provient de l'influence de la modulation des canaux adjacents à l'extrémité de transmission, de la diaphonie du canal adjacent du démultiplexage à l'extrémité de réception et de l'interférence par trajets multiples ISI provoquée par la modulation en anneau adjacent. MRM nécessite généralement une perte équilibrée et une bande passante de modulation. Un faible Q augmentera non seulement la bande passante, mais également le XT. Par conséquent, l’effet peut être réduit en augmentant l’espacement des canaux ou en utilisant un filtre annulaire d’ordre supérieur.

•  Zone

Habituellement, chaque fibre optique possède 8 à 16 canaux, qui nécessitent des longueurs d'onde correspondantes. La puissance de sortie de chaque laser optique couplé à une fibre est d'environ 5 mW. En tenant compte des pertes de couplage, des pertes des dispositifs passifs et de la consommation électrique, le rendement est d'environ 10 %, correspondant à 2 pJ/b. L'espacement des canaux laser est de 100 à 200 GHz avec une dérive de ± 5 à 10 % en fonction de la température, ce qui prend en compte à la fois le faible coût et le faible bruit. Il existe actuellement les types de lasers suivants, et celui à adopter dépend des capacités de chaque entreprise.

Formes de laser

• Emballage 2.5D

Un réseau couplé, une grande tolérance de couplage, une faible bande passante spectrale, une perte de 1 à 2 dB, généralement un espacement de 127 à 250 um, peuvent être testés et emballés sur puce.

Couplage d'extrémité, nécessitant une précision de couplage plus élevée, une bande passante spectrale élevée et des aides à la fabrication supplémentaires (rainures en V, métamatériaux).

Les deux solutions ci-dessus sont acceptables, mais elles doivent être mécaniquement robustes. Il est préférable d’utiliser un EIC/PIC indépendant pour obtenir le meilleur processus. L'EIC se trouve sur le PIC et le PIC utilise TSV pour connecter l'EIC et la communication interposeur. L'essentiel est la gestion thermique de l'ensemble de la structure.

• Simulation thermique

Les performances des puces photoniques au silicium sont sensibles à la chaleur, et les puces ASIC et EIC sont des générateurs de chaleur élevés. La figure ci-dessous est un diagramme simulé, où la puissance ASIC est répartie uniformément sur la puce, la puissance EIC est constante et la température du flux de chaleur change directement de l'ASIC au PIC et à l'EIC. En ajoutant du plastique directement au PIC et à l'ASIC, une bonne isolation peut être obtenue et l'augmentation de température ne dépassera pas 10K. Les changements de température du MRM sur puce et du MRM adjacent à travers le film de surveillance sont respectivement de 11 K et 0.7 K.