Взгляд NVIDIA на кремниевую фотонику

Текущий взрывной рост моделей и вычислений ИИ требует параллельных операций на нескольких графических процессорах, что привело к увеличению пропускной способности интерфейса между графическими процессорами. NVIDIA — самый непосредственный пользователь на рынке оптических модулей искусственного интеллекта. Он выдвинул несколько требований и перспектив для интегрированной фотоники: низкая стоимость <0.25 доллара США/Гбит/с, низкое энергопотребление <1.5 пДж/бит, передача на большие расстояния> 500 м, высокая пропускная способность по одному волокну> 0.8 Тбит/с, малый размер > 0.5 Тбит/с/ мм2 и высокая надежность < 100 FIT. На следующем рисунке представлена ​​архитектурная схема интегрированной фотоники, в которой используется 3D-упаковка. Каждый ввод-вывод использует оптическую передачу, и электрический чип переворачивается на оптическом чипе, при этом оптический чип, графический процессор, HBM и коммутатор упакованы в один и тот же промежуточный преобразователь и обмениваются данными через промежуточный преобразователь.

Схема архитектуры интегрированной фотоники

В такой высокоплотной интегрированной системе больше подходит MRM-система DWDM ссылки. В основном это основано на следующих соображениях: может быть достигнута одноканальная передача на скорости 25-50 Гбит/с, энергопотребление одного чипа <1 пДж/бит, средняя площадь одного канала составляет всего 50 мкм x 50 мкм, и большая емкость может быть достигнута за счет высокоплотной интеграции.

Основные проблемы систем DWDM на основе MRM заключаются в производительности устройств кремниевой фотоники, многоволновых лазерах, интегрированной упаковке, управлении и регулировании температуры.

• МРМ

Первое, что необходимо решить в системах DWDM, — это перекрестные помехи в каналах. Спектр фильтра Лоренца имеет хвосты в других каналах, а фотодиоды и другие компоненты являются широкополосными и не имеют избирательности по длине волны. Таким образом, в системе перекрестные помехи возникают из-за влияния модуляции соседних каналов на передающей стороне, перекрестных помех соседних каналов демультиплексора на приемной стороне и многолучевых помех ISI, вызванных модуляцией соседнего кольца. MRM обычно требует сбалансированных потерь и полосы пропускания модуляции. Low Q увеличит не только полосу пропускания, но и XT. Следовательно, эффект можно уменьшить, увеличив разнос каналов или используя кольцевой фильтр более высокого порядка.

•  Лазер

Обычно каждое оптическое волокно имеет 8-16 каналов, для которых требуются соответствующие длины волн. Выходная мощность каждого оптоволоконного лазера составляет ~5 мВт. С учетом потерь связи, потерь пассивных устройств и потребляемой мощности КПД составляет около 10%, что соответствует 2 пДж/б. Разнос лазерных каналов составляет 100-200 ГГц с дрейфом ±5-10% по температуре, что учитывает как низкую стоимость, так и низкий уровень шума. В настоящее время существуют следующие типы лазеров, и какой из них выбрать, зависит от возможностей каждой компании.

Виды лазера

• 2.5D упаковка

Связанная решетка, большой допуск связи, низкая спектральная полоса пропускания, потери 1-2 дБ, обычно расстояние 127-250 мкм, могут быть протестированы и упакованы на чипе.

Торцевое соединение, требующее более высокой точности соединения, широкой спектральной полосы пропускания и дополнительных вспомогательных средств производства (V-образные канавки, метаматериалы).

Оба вышеупомянутых решения приемлемы, но они должны быть механически прочными. Для достижения наилучшего результата лучше всего использовать независимые EIC/PIC. EIC находится на PIC, и PIC использует TSV для подключения EIC и связи промежуточного устройства. Главное – термоменеджмент всей конструкции.

• Тепловое моделирование

Производительность кремниевых фотонных чипов чувствительна к нагреву, а чипы ASIC и EIC являются сильными генераторами тепла. На рисунке ниже представлена ​​смоделированная схема, где мощность ASIC равномерно распределена по кристаллу, мощность EIC постоянна, а температура теплового потока изменяется непосредственно от ASIC к PIC и EIC. Добавляя пластик непосредственно в PIC и ASIC, можно добиться хорошей изоляции и повышение температуры не превысит 10К. Изменение температуры внутрикристального МИМ и прилегающего к нему МИМ через контрольную пленку составляет 11 К и 0.7 К соответственно.