Почему имеетТонкопленочный ниобат лития ВнезапноСтать настолько популярным?

Не так давно генеральный директор NVIDIA Дженсен Хуанг заявил, что ИИ следующего поколенияинфраструктураволятребоватьамассивный количествооптических межсоединений, какмедь кабелибольше не может удовлетворитьтребовать.

Это не паникерские разговоры.

Мы входим в мир света

Сстремительный разработкаинформационных технологий,глобальный данныетрафикрастетэкспоненциально, итребоватьдля информацииемкостьиобработка способностьпродолжаетрост. Движимыйвозникающийтакие технологии, как связь 5G, Интернет вещей, облакавычисления, большойданныеи искусственный интеллект, традиционныеэлектронныйсистемы связивсе большесталкиваются с узкими местами в полосе пропускания и высокой мощностьюпотреблениевызовы.

Технология оптической связи с ее преимуществами высокой пропускной способности, низкойпотеряи невосприимчивость к электромагнитнымвмешательство, стала ключевым решением этих проблем.

фундаментальныйпричина, по которой ИИ следующего поколенияинфраструктурадолженполагатьсяОптические межсоединения сильно зависят от того, что на смену им пришла «стена межсоединения».вычислениявласть как самое большое узкое место. Поскольку кластеры графических процессоров масштабируются до десятков тысяч или даже сотен тысяч карт,канал данныеставкидвижущийся к224Г. На физическомслой,медь кабелибьют попределы навязанныйккожаэффект и диэлектрикпотеря,сжимающийихэффективный передача инфекции расстояниедо менее 2 метров. Это делает их неспособными обеспечить масштабированиетребованиячерезсервер стеллажи.

В то же время полностью оптические межсоединения могутуменьшатьвластьпотребление запропускная способность устройства более чем на 40%, что делает их одними из самыхмногообещающийпути решения проблемыэнергия-эффективность кризисна фабриках искусственного интеллекта.

Ниобат лития: материал, который ждалДесятилетияна данный момент

Электрооптические модуляторы (ЭОМ) являются ключевымикомпонентыв системах оптической связи. Ихосновнойфункция состоит в том, чтобыконвертироватьи модулироватьэлектрический сигналыв оптическийсигналы. Их производительностьнапрямую влияеттотпередача инфекциискорость, мощностьпотребление,сигналкачество истабильностьпринадлежащийвесьсистема связи.

Общийструктура волоконно-оптической системы связи

Ниобат лития, или LiNbO₃, является важнейшим электрооптическим материалом. Благодаря превосходному электрооптическому эффекту, относительно высокому показателю преломления около 2,2, широкому окну прозрачности от примерно 350 нм до 5 мкм и высокой химической стабильности он уже давно считается в фотонике «оптическим кремнием». С 1960-х годов ниобат лития широко используется в электрооптических модуляторах.

Однако, хотя ниобат лития был незаменим на системном уровне, он в значительной степени оставался позади на протяжении почти трех десятилетий во время волны интеграции на уровне чипов.

Причина кроется в ограничениях традиционных объемных модуляторов из ниобата лития. Эти устройства модулируют оптические сигналы, используя электрическое поле для управления фазой или интенсивностью света. Однако из-за физических свойств материала и ограничений традиционных технологий обработки объемные волноводы из ниобата лития обычно имеют размер от миллиметра до сантиметра. Это ограничивает эффективность взаимодействия между оптическим полем и электрическим полем, а это означает, что эффективная модуляция часто требует высоких управляющих напряжений в диапазоне от нескольких вольт до десятков вольт.

Кроме того, большой размер устройства затрудняет интеграцию с платформами кремниевой фотоники, ограничивая его применение в оптоэлектронных системах на уровне кристалла. Традиционные методы обработки также приводят к относительно высоким потерям при передаче по волноводу, что еще больше ограничивает эффективность устройства и производительность передачи на большие расстояния.

В результате такие платформы, как кремниевая фотоника, InP и SiN, начали быстро расти, а ниобат лития когда-то рассматривался как материал с отличными характеристиками, но с плохой масштабируемостью и низкой плотностью интеграции.

Технология тонких пленок появилась именно тогда, когда она была нужна отрасли

Поворотным моментом стало развитие технологии тонкопленочного ниобата лития, или TFLN.

Тонкопленочный ниобат лития основан на гетерогенной структуре «ниобат лития-изолятор-подложка». Благодаря передовым технологиям изготовления, таким как нарезка кристаллических ионов и химико-механическая полировка, тонкие пленки монокристаллического ниобата лития можно отделить от объемного материала и перенести на такие подложки, как кремний, сапфир или диоксид кремния.

По сравнению с объемным ниобатом лития, тонкопленочный ниобат лития позволяет создавать волноводные структуры субмикронного размера с гораздо более сильным оптическим ограничением. Это значительно повышает эффективность взаимодействия оптического и электрического полей, часто в десятки раз, тем самым значительно снижая напряжение возбуждения и уменьшая размер устройства.

Кроме того, низкие потери при передаче тонкопленочного ниобата лития дают ему уникальные преимущества в фотонных интегральных схемах на большие расстояния. Его совместимость с кремниевыми платформами также открывает новый путь для гетерогенной интегрированной фотоники.

Монокристаллическая тонкая пленка ниобата лития, источник: Jinan Jingzheng Electronics Co., Ltd.

Станет ли технология популярной, зависит отчасти от того, насколько она хороша, а отчасти от того, предоставляет ли эпоха соответствующий спрос на ее применение.

Глядя на несколько ключевых показателей эффективности, становится ясно, почему TFLN активно внедряется в эпоху 1,6T и 3,2T:

1. Пропускная способность:Легко превышает 100 ГГц и движется к 200 ГГц.
2. Потребляемая мощность:Всего лишь десятки фемтоджоулей на бит.
3. Качество сигнала:Низкие вносимые потери, чрезвычайно низкий чирп и превосходная линейность.
4. Универсальность:Одна платформа может поддерживать электрооптические, нелинейные и квантово-фотонные функции.

С точки зрения отраслевого спроса, вычислительная мощность ИИ стремительно растет. Оптические межсоединения в центрах обработки данных быстро модернизируются с 400G до 800G, 1,6T и даже 3,2T. Это именно та эпоха, для которой был создан тонкопленочный ниобат лития.

Возьмем в качестве примера широко обсуждаемую сегодня комбинированную оптику, или CPO. CPO перемещает оптический механизм из подключаемого модуля передней панели непосредственно на ту же подложку корпуса, что и микросхема переключателя или ASIC. После того, как NVIDIA стала лидером в массовом производстве решений CPO для своих серий Spectrum-X и Quantum, результаты измерений были поразительными: вносимые потери снизились примерно с 22 дБ до примерно 4 дБ, целостность сигнала улучшилась примерно в 63 раза, а эффективность оптической мощности системы увеличилась до 5 раз.

Однако CPO – это не просто «перемещение» существующих оптических модулей на новое место. Объем корпуса резко сокращается, бюджет мощности сокращается до минимума, тепловые условия становятся более жесткими, а электрическая среда становится чрезвычайно требовательной. Каждый компонент внутри оптического механизма приближается к своим физическим пределам.

Именно в этих новых условиях тонкопленочный ниобат лития появился как раз в нужное время. Из «эталона производительности» он превратился в «инженерную необходимость».

Другими словами, тонкопленочный ниобат лития стал популярным не только потому, что он стал тоньше, но и потому, что вычислительная инфраструктура искусственного интеллекта наконец достигла того уровня, когда ей нужен TFLN в качестве технологии, несущей структурную нагрузку.

Вот почему мы видим, что NVIDIA инвестирует 4 миллиарда долларов США в такие компании, как Coherent и Lumentum, две компании, которые вместе занимают около 80% мирового рынка высококачественных тонкопленочных модуляторов из ниобата лития.