فناوری CPO (اپتوالکترونیک بسته‌بندی‌شده) مدتی است که وجود دارد، اما هنوز در مراحل توسعه خود قرار دارد. آندریاس ماتیس، مدیر ارشد قطعات نوری و یکپارچه‌سازی در Corning Optical Communications، توضیح داد که چگونه شیشه نقش کلیدی در قرار دادن مبدل‌های الکترو-نوری مبتنی بر سیلیکون تا حد امکان نزدیک به پردازنده‌های سیلیکونی ایفا می‌کند.

شبکه‌های مراکز داده به سرعت در حال تکامل هستند و این روند با ظهور هوش مصنوعی و استقرار گسترده خوشه‌های هوش مصنوعی سرعت گرفته است. پیشرفت‌های اخیر در این زمینه قابل توجه بوده است، به ویژه با استقرار معماری NVIDIA's DGX SuperPOD و خوشه‌های TPU گوگل. این تغییر ناشی از تقاضا برای محاسبات با کارایی بالا برای پشتیبانی از آموزش و استنتاج هوش مصنوعی است. انتظار می‌رود NVIDIA به تنهایی سالانه میلیون‌ها واحد GPU بهینه شده برای هوش مصنوعی را در پنج سال آینده عرضه کند و تا سال 2028 به مقیاس قابل توجهی برسد.

تعداد واحدهای فرستنده و گیرنده مورد نیاز برای ساخت این شبکه‌ها به ده‌ها میلیون در سال خواهد رسید و این دستگاه‌ها باید با حداکثر سرعت 1.6 ترابیت بر ثانیه و 3.2 ترابیت بر ثانیه کار کنند. تحلیلگران صنعت پیش‌بینی می‌کنند که هر شتاب‌دهنده (GPU) در آینده به بیش از 10 فرستنده و گیرنده مجهز خواهد شد، به این معنی که تقاضا برای اتصالات فیبر نوری تقریباً 10 برابر نسبت به سطوح استقرار فعلی افزایش خواهد یافت.

در یک مرکز داده معمولی، یک فرستنده و گیرنده اترنت پلاگین استاندارد تقریباً 20 وات برق مصرف می‌کند. انتظار می‌رود فرستنده‌ها و گیرنده‌های نسل بعدی تقریباً دو برابر این توان مصرف کنند. بر اساس محموله‌های فعلی، تخمین زده می‌شود که تقریباً 200 مگاوات (MW) برق برای تامین انرژی فرستنده‌ها و گیرنده‌ها در سال 2024 مستقر شود. بر اساس مسیر توسعه فرستنده‌ها و گیرنده‌ها و افزایش ده برابری مورد انتظار در تقاضا برای اتصال نوری، پیش‌بینی می‌شود استقرار توان فرستنده و گیرنده به 2 گیگاوات (GW) در سال برسد که معادل توان تولید شده توسط یک نیروگاه هسته‌ای بزرگ است. این شامل توان مورد نیاز برای تامین انرژی الکترونیک سمت میزبان و بازتولیدکننده‌های الکتریکی مورد استفاده برای انتقال داده‌ها از مدارهای مجتمع به فرستنده‌ها و گیرنده‌ها در جلوی دستگاه نمی‌شود.

به عنوان مثال، برای یک مرکز داده هوش مصنوعی مجهز به یک میلیون GPU، معرفی فناوری CPO می‌تواند تقریباً 150 مگاوات از ظرفیت تولید برق مرکز داده را ذخیره کند. علاوه بر کاهش سرمایه‌گذاری مورد نیاز برای ساخت تأسیسات تولید برق مربوطه، این فناوری همچنین هزینه‌های عملیاتی را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد - بسته به تفاوت‌های منطقه‌ای قیمت انرژی، صرفه‌جویی سالانه در برق می‌تواند به راحتی از 100 میلیون یورو فراتر رود. در چین، با پیشرفت ابتکار «محاسبات شرق-غرب»، تقاضا برای اتصالات نوری با پهنای باند بالا و کم مصرف در مراکز ابررایانه (مانند Wuxi Sunway TaihuLight) و مراکز محاسباتی هوشمند (مانند خوشه‌های محاسباتی هوش مصنوعی در پکن و شنژن) در حال افزایش است. انتظار می‌رود فناوری CPO برای کاهش مصرف انرژی و افزایش راندمان برای GPUهای تولید داخلی کلیدی باشد. با توجه به این روند مصرف انرژی غیرقابل تحمل، نوآوری بسیار مهم است.

معرفی فناوری CPO

CPO فناوری است که به احتمال زیاد بر این تنگنای مصرف انرژی در کوتاه مدت غلبه خواهد کرد. این فناوری ماژول تبدیل الکترو-نوری را از فرستنده و گیرنده روی پنل جلویی به داخل دستگاه منتقل می‌کند و در حالت ایده‌آل آن را مستقیماً روی بستر بسته CPU یا GPU ادغام می‌کند. این امر تلفات توان را در کانال مسی به حداقل می‌رساند و در نتیجه یک پیوند با راندمان انرژی بیشتر ایجاد می‌کند. در مقایسه با فرستنده‌ها و گیرنده‌های پلاگین، مصرف انرژی را می‌توان بیش از 50 درصد و در برخی موارد تا 75 درصد کاهش داد. این مزیت صرفه‌جویی در انرژی نه تنها با کاهش استفاده از کانال‌های مسی با تلفات بالا به دست می‌آید، بلکه با ساده‌سازی یا حتی حذف پردازنده سیگنال دیجیتال (DSP) مورد نیاز برای جبران تلفات انتقال سیگنال الکتریکی نیز به دست می‌آید.

به طور خلاصه، فناوری CPO اتصال نوری با سرعت بالا، کم مصرف و تأخیر کم را ارائه می‌دهد. این ویژگی‌ها برای شبکه‌های پیشرفته هوش مصنوعی کلیدی هستند.

یک جایگزین صرفه‌جویی در انرژی دیگر که ارزش بررسی دارد، ماژول نوری پلاگین خطی (LPO) است. با حذف تراشه DSP، مصرف انرژی و تأخیر را کاهش می‌دهد و در عین حال فرم فاکتور و اکوسیستم یک فرستنده و گیرنده پلاگین پنل جلویی را حفظ می‌کند. در حالی که CPO یکپارچگی سیگنال بهتری و تأخیر کمتری را ارائه می‌دهد، LPO مقرون به صرفه‌تر است، به ویژه برای برنامه‌های کاربردی با برد کوتاه. مقرون به صرفه بودن و مصرف کم انرژی LPO، همراه با زمان سریع آن برای ورود به بازار، ممکن است پذیرش گسترده فناوری CPO را به تأخیر بیندازد.

با این حال، با افزایش سرعت پیوند به 200G و فراتر از آن، LPO انرژی بیشتری نسبت به CPO مصرف می‌کند و مدیریت آن برای اطمینان از کیفیت بالای سیگنال به طور قابل توجهی دشوارتر می‌شود. با ادامه پیشرفت فناوری، انتظار می‌رود CPO در آینده به راه‌حل ترجیحی تبدیل شود.

شیشه فناوری CPO را تقویت می‌کند
انتظار می‌رود شیشه نقش کلیدی در نسل بعدی فناوری CPO ایفا کند. برای نزدیک کردن مبدل‌های الکترو-نوری (در درجه اول تراشه‌های فوتونیک سیلیکونی) تا حد امکان به پردازنده‌های سیلیکونی واقعی (CPUها و GPUها)، به یک فناوری بسته‌بندی جدید نیاز است که نه تنها از اندازه‌های بستر بزرگتر پشتیبانی کند، بلکه اتصال نوری را نیز به تراشه‌های فوتونیک سیلیکونی امکان‌پذیر کند.

بسته‌بندی نیمه‌هادی‌ها به طور سنتی عمدتاً به بسترهای آلی متکی بوده است. این مواد دارای ضریب انبساط حرارتی بالاتری نسبت به سیلیکون هستند که اندازه حداکثر بسته‌های نیمه‌هادی را محدود می‌کند. از آنجایی که صنعت همچنان به سمت بسترهای بسته‌بندی بزرگتر در پلتفرم‌های فناوری آلی موجود پیش می‌رود، مسائل مربوط به قابلیت اطمینان (مانند مسائل مربوط به یکپارچگی اتصالات لحیم و افزایش خطر لایه‌برداری) و چالش‌های تولید (مانند ساختارهای اتصال با گام ریز با کیفیت بالا و سیم‌کشی با چگالی بالا) به طور فزاینده‌ای برجسته شده‌اند که منجر به افزایش هزینه‌های بسته‌بندی و آزمایش می‌شود. با این حال، از طریق طراحی بهینه، شیشه می‌تواند به ضریب انبساط حرارتی دست یابد که بیشتر با تراشه‌های سیلیکونی مطابقت دارد و از بسترهای آلی سنتی فراتر می‌رود. این بستر شیشه‌ای با فرآوری ویژه، پایداری حرارتی استثنایی را نشان می‌دهد و استرس مکانیکی و آسیب را در طول نوسانات دما کاهش می‌دهد. استحکام مکانیکی و صافی برتر آن، یک پایه محکم برای قابلیت اطمینان بسته‌بندی تراشه فراهم می‌کند. علاوه بر این، بسترهای شیشه‌ای از چگالی اتصال بالاتر و گام‌های ریزتر پشتیبانی می‌کنند و عملکرد الکتریکی را بهبود می‌بخشند و اثرات انگلی را کاهش می‌دهند. این ویژگی‌ها شیشه را به یک انتخاب بسیار قابل اعتماد و دقیق برای بسته‌بندی نیمه‌هادی‌های پیشرفته تبدیل می‌کند. در نتیجه، صنعت بسته‌بندی نیمه‌هادی‌ها به طور فعال در حال توسعه فناوری بستر شیشه‌ای پیشرفته به عنوان فناوری بستر نسل بعدی است.

بسترهای موجبر شیشه‌ای
علاوه بر خواص حرارتی و مکانیکی عالی، شیشه را می‌توان برای عملکرد به عنوان یک موجبر نوری نیز دستکاری کرد. موجبرها در شیشه معمولاً از طریق فرآیندی به نام تبادل یونی ایجاد می‌شوند: یون‌های موجود در شیشه با یون‌های مختلف از یک محلول نمک جایگزین می‌شوند و در نتیجه شاخص شکست شیشه تغییر می‌کند. با محدود کردن نور به مناطقی با شاخص شکست بالاتر، این مناطق اصلاح شده می‌توانند نور را هدایت کنند. این تکنیک امکان تنظیم دقیق خواص موجبر را فراهم می‌کند و آن را برای انواع کاربردهای نوری مناسب می‌سازد. در نتیجه، در موجبرهای نوری با ساختارهای فیبر مانند، نور می‌تواند در امتداد موجبرهای شیشه‌ای یکپارچه منتشر شود و به طور موثر به فیبرهای نوری یا تراشه‌های فوتونیک سیلیکونی متصل شود. این امر شیشه را به یک انتخاب مواد جذاب برای کاربردهای CPO پیشرفته تبدیل می‌کند.

ادغام اتصالات الکتریکی و نوری در یک بستر نیز به رفع چالش‌های چگالی اتصال که شرکت‌ها هنگام ساخت خوشه‌های هوش مصنوعی بزرگ با آن مواجه هستند، کمک می‌کند. در حال حاضر، تعداد کانال‌های نوری با هندسه فیبرهای نوری محدود می‌شود - قطر غلاف یک فیبر نوری معمولی 127 میکرون است، تقریباً به ضخامت یک تار موی انسان. با این حال، موجبرهای شیشه‌ای، آرایش‌های متراکم‌تری را امکان‌پذیر می‌کنند و چگالی ورودی/خروجی (I/O) را در مقایسه با اتصالات مستقیم فیبر به تراشه به طور قابل توجهی افزایش می‌دهند.

ادغام اتصالات الکتریکی و نوری نه تنها مسائل مربوط به چگالی را برطرف می‌کند، بلکه عملکرد و مقیاس‌پذیری کلی خوشه‌های هوش مصنوعی را نیز بهبود می‌بخشد. ماهیت فشرده موجبرهای شیشه‌ای به این امکان می‌دهد که کانال‌های نوری بیشتری در فضای فیزیکی یکسان جای داده شوند و در نتیجه ظرفیت و راندمان انتقال داده‌های سیستم افزایش یابد. این پیشرفت برای پیشبرد توسعه زیرساخت‌های هوش مصنوعی نسل بعدی بسیار مهم است - در سناریوهایی که سیستم‌های هوش مصنوعی باید مقادیر زیادی از داده‌ها را پردازش کنند، فناوری اتصال با چگالی بالا برای مدیریت کارآمد کلیدی است.

با ادغام موجبرهای شیشه‌ای، یک سیستم نوری کامل را می‌توان در یک بستر یکسان ساخت و مدارهای مجتمع فوتونیک را قادر می‌سازد تا مستقیماً از طریق موجبرهای نوری ارتباط برقرار کنند. این فرآیند نیاز به اتصالات فیبر نوری را از بین می‌برد و پهنای باند و پوشش ارتباطات بین تراشه‌ای را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد. در سیستم‌های با چگالی بالا با اجزای متصل به هم متعدد، استفاده از موجبرهای شیشه‌ای می‌تواند به تلفات سیگنال کمتر، چگالی پهنای باند بالاتر و دوام بیشتر در مقایسه با فیبرهای نوری گسسته دست یابد. این مزایا موجبرهای شیشه‌ای را به یک انتخاب ایده‌آل برای سیستم‌های اتصال نوری با کارایی بالا تبدیل می‌کند.

اعمال فناوری CPO به مراکز داده نسل بعدی و شبکه‌های ابررایانه هوش مصنوعی می‌تواند پهنای باند فرار تراشه را افزایش دهد و امکانات جدیدی را برای سوئیچ‌های با سرعت بالا و رادیکس بالا 102T و بالاتر باز کند. معماران شبکه اکنون این فرصت منحصر به فرد را دارند که معماری‌های شبکه را دوباره تصور و طراحی کنند. به لطف افزایش پهنای باند و معماری‌های شبکه ساده شده، آنها به عملکرد شبکه برتری دست خواهند یافت و باعث بهبود راندمان عملیاتی و بهینه‌سازی فرآیند می‌شوند.

نتیجه
فناوری CPO این پتانسیل را دارد که معماری اتصال هوش مصنوعی را در سطوح مختلف متحول کند. این می‌تواند مصرف انرژی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد و پایداری را بهبود بخشد و سیستم‌های هوش مصنوعی را سازگار با محیط زیست و مقرون به صرفه کند. علاوه بر این، CPO راندمان و مقیاس‌پذیری سیستم‌های هوش مصنوعی را بهبود می‌بخشد و آنها را قادر می‌سازد تا به راحتی وظایف بزرگتر و پیچیده‌تری را انجام دهند. با رسیدگی به مسائل مربوط به چگالی، CPO می‌تواند سرعت انتقال داده‌ها را افزایش دهد و ارتباط سریع‌تر و قابل اطمینان‌تری را بین اجزای هوش مصنوعی تضمین کند. این امر همچنین به کاهش گلوگاه‌ها در سیستم‌های هوش مصنوعی آینده کمک می‌کند و عملکرد روان‌تر و کارآمدتر سیستم را تضمین می‌کند.

انتظار می‌رود اتصالات هوش مصنوعی آینده، پیوندهای نوری مستقیم را معرفی کنند و نیاز به سوئیچ‌های محاسباتی را از بین ببرند. این نوآوری پهنای باند را برای وظایف هوش مصنوعی گسترش می‌دهد و سرعت و راندمان پردازش مجموعه‌های داده بزرگ را بهبود می‌بخشد. شیشه، با قابلیت‌های انتقال داده و مقیاس‌پذیری برتر خود، یک ماده ایده‌آل برای فعال کردن این پیشرفت‌های تکنولوژیکی است. پیوندهای نوری مبتنی بر شیشه به یک فعال‌کننده حیاتی برای سیستم‌های هوش مصنوعی نسل بعدی تبدیل می‌شوند و یک زیرساخت ضروری برای محاسبات با کارایی بالا و برنامه‌های کاربردی هوش مصنوعی پیشرفته را تشکیل می‌دهند.
NEW LIGHT OPTICS TECHNOLOGY LIMITED تلاش خواهد کرد تا از هر فرصتی استفاده کند و مشارکت داشته باشد.