Vdelana fotonika – naslednja generacija optičnih povezav

Optični kabli se danes običajno končajo na sprednjem pokrovu strežniških rezin, toda skokovita rast potreb podatkovnih centrov pospešuje razvoj optičnih vodil, ki naposled vstopajo v same čipe.

Podatki in njihova obdelava so danes temelj ekonomij razvitih držav, kar lahko trenutno v stvarnem času spremljamo v ZDA, kjer je bilo napihovanje področja podatkovnih centov neposredno odgovorno za pretežni del rasti tamkajšnjega lanskega bruto družbenega proizvoda. Od tod logična pozornost, ki jo namenjamo stalnemu povečevanju računske moči čipov, kakršni poganjajo tako domače naprave kakor spletne algoritme. Toda to je zgolj del zgodbe, kajti pri tem, da nam online servisi predvajajo glasbo ali izvržejo iskalni niz, ima prste zraven tudi kopica tehnologij, ki na prvi pogled niso tako 'seksi' kot grozno zamotani čipi. Najpomembnejše so tu bržkone tehnologije za prenos podatkov, ki seveda morajo nekako priti od našega telefona do oblaka in nazaj.

Obremenjeni prometnik

Za nazivom serializer/deserializer ali SerDes se skriva laiku povsem nepoznano elektronsko vezje, ki pa je v zadnjem desetletju postalo eden bolj kontroverznih delov računalniških čipov. Kot namigne že ime, je njegova naloga spreminjati paralelnost tokov podatkov: bodisi manjše število visokoprepustnih kanalov razdeliti na množico manjših (deserialize) bodisi obratno, paralelne kanale združevati (serialize). Običajno se nahaja na robovih čipov, kjer ima nalogo številna vodila iz čipa usmeriti v manjše število vhodno-izhodnih zunanjih vodil. Veljavo je močno pridobilo z uvedbo čipletov, saj mora pri prehodu podatkov med čipleti en SerDes podatke spakirati za pošiljanje po vmesnih povezavah, nakar jih mora drugo takšno vezje v ciljnem čipletu spet razprostreti. To pa potroši zaznavno količino energije in povzroča latenco, zato ga poskušajo inženirji z naprednimi tehnikami pakiranja časa vse večkrat izločati. To so lani kot prvi napravili snovalci pri AMD za prenosniški procesor Strix Halo.

Podatke na debelo prenašamo po dveh medijih: optičnih vlaknih in bakrenih žicah. Prve uporabljamo za velike razdalje in v ta namen vlečemo orjaške optične kable po oceanskem dnu. Druge se odlikujejo na krajših razdaljah, to je znotraj stanovanj in strežniških sob ali omar, ter seveda v samih čipih, katerih vodila so prav tako bakrena. Razlogi so tako fizikalni kot ekonomski – a predvsem fizikalni. Optična vlakna signal pošiljajo s svetlobno hitrostjo in ob zelo majhnih izgubah. Bakrene žice trpijo za električno upornostjo in zato znatnim gretjem, a imajo po drugi plati večjo prepustnost. Konkretno: današnji optični kabli znotraj podatkovnih centrov imajo prepustnost 800 Gb/s (gigabiti!), medtem ko ima bakreno vodilo NVLink zadnje generacije prepustnost 3,6 TB/s (teraBAJTI!), a zgolj na kratki razdalji med dvema čipoma. Pa vendarle so v zadnjih letih spet vztrajnejša prizadevanja, da bi optične povezave integrirali v samo elektroniko, vse do procesorjev in celo v njihovo notranjost. Zakaj ravno zdaj in kako, da se to ni zgodilo že prej?

Takšne decimeter dolge paličice so ključ do učinkovitega prometa podatkov med strežniškimi rezinami v vsakem sodobnejšem podatkovnem centru. Gre za optične pretvornike (optical transceiver), ki so razširjeni šele zadnjih deset let.

Silicijeva fotonika

Zamisel o računskih vezjih, ki bi tokove podatkov namesto z elektroni prenašala s svetlobo, ima že kar dolgo brado in ji je mogoče slediti v 70. leta prejšnjega stoletja. Takšna zasnova bi zaradi manjših toplotnih izgub ter večje hitrosti prenosa teoretično potrošila mnogo manj energije kot klasična z bakrenimi žičkami, toda pri obdelavi podatkov ima svetloba bistveno hibo: računski elementi čipa, torej stikala oziroma optični tranzistorji, morajo imeti zaradi fizikalnih zakonitosti velikost valovne dolžine uporabljene svetlobe, se pravi nekje med 400–1.500 nanometri. To pa je mnogo več od trenutnih dimenzij elementov v najsodobnejših procesorjih, ki so veliki le nekaj nanometrov. Elektroni imajo namreč, odvisno od njihove energije, valovno dolžino običajno pod enim nanometrom, zato lahko služijo pri kodiranju informacij v silicijevih vezjih. Inženirji so zato prisiljeni v iskanje hibridne zasnove, kjer so logična vezja še vedno klasična, medtem ko bi karseda velik del 'prometa' potekal po optičnih vodilih.

Današnji optični kabli znotraj podatkovnih centrov imajo prepustnost 800 Gb/s (gigabiti!), medtem ko ima bakreno vodilo NVLink zadnje generacije prepustnost 3,6 TB/s (teraBAJTI!), a zgolj na kratki razdalji med dvema čipoma.

Zaradi čim lažje proizvodnje bi bilo optimalno, da bi takšen hibridni čip nastal na silicijevi rezini, s klasičnimi procesi fotolitografije, s kakršnimi izdelujejo aktualne procesorje. S tem se ukvarja živahno inženirsko področje silicijeve fotonike (silicon photonics), ki mora za vsestranski prodor opisanih naprav streti še nekaj ključnih tehničnih orehov. Največji med njimi je dejstvo, da nekaterih elementov optičnega sklopa v siliciju preprosto še ne znamo narediti enostavno, poceni ali sploh. V grobem takšni optični podsistemi vsebujejo štiri obvezne gradnike. Najprej izvor svetlobe, običajno laser; nato modulator, ki pretvarja električni signal v optičnega; potem demodulator oziroma fotodetektor, ki pretvarja signal v obratno smer, iz optičnega v električnega; četrti element so valovna vodila (waveguides). Takšna vodila in pa fotodetektor je strokovnjakom uspelo hitro implementirati tudi v siliciju. Z modulatorjem je šlo težje, toda po letu 2000 smo zabeležili znaten napredek, predvsem zaradi vztrajnega razvoja pretvornikov (transceiver), kakršni so na panelih strežniških omaric. Daleč najtežje pa je z laserjem: silicij sam zase namreč preprosto ne sveti.

Naj bo luč

Čisti kristalni silicij je polprevodnik s tako imenovano posredno energijsko vrzeljo (indirect band gap), ki je problem za učinkovito sproščanje fotonov. Dolgo se ga zato ni uporabljalo za svetilne (LED) diode in šele po letu 2000 so ga prisilili v svetenje z dodatkom (dopiranjem) bora. To je bilo dovolj kvečjemu za običajno LED-diodo, kakršna seva v širšem spektru, medtem ko za lasersko svetlobo potrebujemo večje energije na ozkem frekvenčnem območju. Pravega laserja doslej v samem siliciju inženirjem še ni uspelo implementirati in nič ne kaže, da je takšno odkritje tik za vogalom, zato si morajo pomagati z množico improvizacij. Najbolj premočrtna je uporaba zunanjega laserja, ki sveti v silicijevo vezje, toda to je težje kot se sliši, kajti pri montaži takšnega izvora svetlobe je treba res fino ujeti valovna vodila v samem vezju. Ta so široka nekaj sto nanometrov, optična vlakna pa okrog deset mikrometrov. Kar je po kmečko povedano nekaj podobnega, kot bi želeli iz steklenice vodo natakati v slamico. Energijske izgube so zato običajno precejšnje.

Intel si lahko lasti mnoge zasluge za prodor optičnih pretvornikov. Raziskave modrega velikana so bile po letu 2000 ključne za razvoj silicijevih modulatorjev. Leta 2016 je predstavil prve pretvornike, takrat še hitrosti 100 Gb/s.

Naprednejše metode vključujejo izdelavo laserja na rezini drugega polprevodnika, na primer indijevega fosfida (InP), ki je pomemben binarni polprevodnik priljubljenega tipa III-V, kar označuje stolpce (skupine) indija in fosforja v periodnem sistemu elementov. Nato poskušajo takšne laserčke čim bolj brezšivno pripeti na fotonski čip. V belgijskem razvojnem velikanu Imec trenutno razvijajo tri takšne metode. Pri prvi, flip-chip integration, se laserske ploščice prelaga eno po eno; takšen pristop ponuja najučinkovitejšo raven spajanja in izgubi zgolj nekaj čez 20 odstotkov svetlobe, a je s proizvodnega vidika sila počasen. Naslednja metoda, microtransfer printing, preloži po več laserjev hkrati, medtem ko tretja, die-to-wafer bonding, prestavi kar celotno rezino z laserji. Obe metodi zaradi slabšega spajanja ponujata manjše jakosti svetlobe, kar pomeni, da pri izdelavi takšnih čipov stalno trgujemo z jakostjo laserjev v zameno za hitrost proizvodnje. S prvo metodo izdelujejo zgoraj omenjene večje pretvornike, ki imajo manj laserjev in zahtevajo večje moči. Z drugima dvema se oblikuje bolj zapletene silicijskofotonske čipe.

Prometni zamaški

Opisani dosedanji napredek pri izvorih svetlobe in modulatorjih je poskrbel za nastop in širjenje pretvornikov, ki zadnjih deset let svetlobnemu signalu omogočajo pot vse do posamezne strežniške omarice. Danes tako v naprednejših podatkovnih centrih vsako razdaljo, daljšo od dveh metrov, predstavlja optični kabel. V zadnjem času pa sta se pojavila dva pomembna in povezana motiva, ki sta razvojnike pripravila do tega, da poskušajo te razdalje še skrajšati in uvajajo vgrajevanje optičnih vodil v same vezne plošče (PCB) ter čipe. Prvi izvira iz dejstva, da moč čipov, s tem pa tudi količina podatkov, ki jo obdelajo, še vedno za silo sledi Moorovemu zakonu, medtem ko se optični sklopi ne razvijajo tako hitro. To pa pomeni, da je razkorak med prepustnostjo stikal, ki usmerjajo podatke iz čipa proti vhodno-izhodnim podsistemom, in pa prepustnostjo pretvornikov vedno večji. Povedali smo že, da ima običajen pretvornik prepustnost 800 Gb/s, pri čemer industrija trenutno prehaja na 1.600 Gb/s. Skozi moderna stikala pa medtem v sekundi potuje okrog 50 Tb.

Optična vodila so tehnično preprosta, saj gre za trakove polprevodnika oz. jarke, v katere se ujame svetloba. Zato jih imenujemo tudi pasivni elementi. Njihova slabost je, da se ob temperaturnih razlikah hitro deformirajo, zato je pri optičnih sklopih hlajenje zelo pomembno.

To ustvarja vedno večje izzive za pretvorbo podatkov, ki jih je treba iz množice visoko vzporednih bakrenih vodil 'stlačiti' v nekaj tokov, ki gredo proti optičnim vlaknom. To je naloga vezja SerDes (glej okvir), ki se je zaradi tega v zadnjih 15 letih več kot podvojilo tako po velikosti kot tudi električni porabi in predstavlja že več kot tretjino posameznega stikala. V Nvidii trdijo, da so energetske zahteve takšne pretvorbe zdaj dosegle desetino porabe grafičnih procesorjev, ki jih s temi podatki oskrbujejo. To pa ni več trivialna številka, saj ima posamezen podatkovni center na voljo omejeno količino elektrike. In tiste, ki jo moramo potrošiti za pretvorbo oziroma transport podatkov, ni mogoče uporabiti za procesiranje. Za nameček je navdušenje nad umetno inteligenco naložbe tehnoloških velikanov povsem strgalo z verige, da ti množično gradijo orjaške centre tudi tam, kjer električna energija zanje sploh še ni zagotovljena. Od tod kopica bizarnih energetskih projektov v zadnjem obdobju, kot so zakupi fuzijske energije – pa čeprav je človeštvo sploh še ne zna izkoriščati! Podjetja se zato vse bolj posvečajo vsem mogočim načinom, kako bi se elektriko privarčevalo.

Vse bliže čipu

To je povzročilo prepotreben naložbeni sunek k razvoju in predvsem vpeljavi najnovejših metod izdelave optičnih sklopov, kakršne so laserske iz Imeca, ki smo jih omenili zgoraj. Kar se namreč bralcu verjetno zdi kot skrajno razburljiva nova tehnologija, pa odločevalci v podjetjih vidijo predvsem kot milijardne stroške ob zagonu novih proizvodnih linij. Razvpiti šef Nvidie Jensen Huang se ima navado pošaliti, da »ima baker tri poglavitne prednosti: je poceni, zanesljiv in poceni«. To pa pomeni, da se silicijeva fotonika nenehno bori z inercijo, ki jo predstavlja preverjena tehnologija klasičnih bakrenih vodil. Vpeljava naprednejših optičnih rešitev je bila zato doslej počasna, čeprav se razvoj tudi po uvedbi pretvornikov v sredini preteklega desetletja v resnici nikoli ni ustavil. Že leta 2015 je skupina podjetij na čelu z Microsoftom pognala Konzorcij za optiko na veznih ploščah (Consortium for On-Board Optics – COBO), ki je tri leta pozneje predstavil tehnologije, s katerimi je mogoče valovna vodila vdelati v plošče PCB (on-board optics ali OBO). To bi pretvornik prestavilo s sprednje strani strežniške reže ob same čipe.

Leta 2020 smo videli prve delujoče primerke naslednjega koraka, near-package optics (NPO). Tu se pretvornik postavi na sam substrat, torej podlago čipa, podobno kot je procesorjem pripojen delovni pomnilnik v Applovih čipih serije M. Končni cilj in ideal trenutnega razvojnega cikla pa sliši na ime co-packaged optics (CPO). Tu optični podsistem že predstavlja del samega čipa, in sicer je vdelan v silicijev vmesnik ali interposer, po domače eno od 'nadstropij' v najmodernejših večslojnih čipih, kot so Intelovi, tehnologije Foveros. TSMC je leta 2021 predstavil takšno konceptno tehnologijo Compact Universal Photonics Engine (COUPE), a je zaradi cene takrat še nobena od strank ni želela 'povohati'. Tri leta pozneje je bila situacija povsem drugačna in podjetje je na horuk najavilo spajanje COUPE in svoje napredne tehnologije pakiranja CoWoS, kar je tajvanska različica izdelave večnadstropnih čipov. Končno postajo te poti smo videli lanskega marca, ko je Nvidia na konferenci GTC 2025 v sodelovanju s TSMC najavila dve novi stikali, Spectrum-X in Quantum-X. V Nvidijinem pamfletu smo takrat lahko prebrali, da naj bi to omogočalo »3,5-kratne energijske prihranke in desetkrat večjo odpornost«. Karkoli naj bi to že pomenilo …

V ospredju razvoja postavitve laserjev na silicij je njihova neposredna litografska izdelava na rezini. Ker je silicij kristalno nezdružljiv z mnogimi drugimi polprevodniškimi elementi, jih doslej nanj nismo znali nanašati. Zadnje raziskave iz Imeca nakazujejo, da bo to verjetno kmalu mogoče.

Zanimive in pretežno izgotovljene rešitve CPO ima poleg dvojca Nvidia/TSMC še nekaj igralcev na trgu. Med njimi so mladi povzpetniki, kot sta kalifornijski podjetji Ayar Labs in Lightmatter. V prvem so napravili fotonski čiplet, v drugem so s platformo Passage iz optičnega podsistema napravili celoten vmesnik, torej nadstropje čipa, na katero nato pritrdijo računske čiplete. Med veterani je treba izpostaviti Broadcom, ki si dejansko lahko lasti prvenec v prihodu CPO na trg, in sicer z ethernet stikalom Bailly že v letu 2024. Tihi velikan v tem smislu pa je pravzaprav proizvajalec GlobalFoundries – natanko tisti, ki se je pred leti odrekel tehnološki tekmi v izdelavi najmodernejših čipov s trojico TSMC, Samsung in Intel. Optični silicijevi sklopi imajo v tem pogledu namreč zanimivo podrobnost, da ne potrebujejo zadnjih krikov fotolitografske tehnologije, temveč lahko zaostajajo več generacij. Današnji pretvorniki so pretežno izdelani še v 130- ali 90-nanometrskih proizvodnih procesih, modernejši integrirani podsistemi pa v 55-nanometrskem. To ponuja priložnost vsem tistim proizvajalcem, ki so izpadli iz boja s TSMC. Pri GlobalFoundries so v ta namen oblikovali močno zaledje patentov, je pa trenutno glavno vprašanje, kakšna bo količinsko dejanska proizvodnja takšnih sklopov. Tista samih pretvornikov je v primerjavi s čipi neznatna in šele vsesplošno privzetje optičnih interposerjev bi pomenilo konkreten premik.

Podoba Nvidiinih stikal Spectrum-X in Quantum-X nakazuje, da bomo večje čipe v podatkovnih centrih kmalu priklapljali neposredno z optičnimi kabli. Za zdaj pa ni znakov, da bi se takšne rešitve kmalu pojavile tudi v računalniških domačih ohišjih.

Na cesti pred oblakom

Če smo rahlo cinični, je umetna inteligenca torej dobra vsaj za eno stvar: pognala je prihod najmodernejših zasnov integrirane silicijske fotonike, ki bi sicer verjetno še ždele v predalu. V prihodnjih nekaj letih bomo v praksi videli, kakšni so dejanski prihranki, ki jih tehnologija pakiranja optičnih elementov CPO lahko prinese. Pri čemer je treba poudariti, da se to seveda ne bo poznalo pri računih za elektriko podatkovnih centrov, saj bodo IT-velikani prihranjeno energijo izkoristili za več surove procesne moči. Mnogi zato pogledujejo še bolj v prihodnost: proti čistim svetlobnim čipom. Uvodoma smo zapisali, da procesiranje z optičnimi tranzistorji odpade, kar pa velja za klasično, von Neumanovo vejo računalništva. Nevronske mreže, ki poganjajo algoritme strojnega učenja, teoretično ponujajo možnost nevromorfne izvedbe v povsem optični različici. Takšne zasnove se za zdaj še niso prebile iz laboratorijev in jih kratkoročno še ne bomo videli v oblaku.

Lightmatterjeva platforma Passage opisuje prvogeneracijske izvedbe načina CPO. Optični sklop je nameščen v samostojno nadstropje čipa, nanj pa so pritrjeni računski čipleti.

V otipljivi praksi utegnemo zadnje krike silicijeve fotonike pravzaprav izkusiti ne v računalništvu, temveč na cesti: takšne rešitve namreč omogočajo korenito miniaturizacijo lidarskih senzorjev, ki so eno od poglavitnih tipal samovoznih avtomobilov. Upamo lahko, da bo proizvodnja CPO za podatkovne centre tehnologijo dovolj pocenila, da jo bodo lahko množično izkoristili tudi za lidarje. Še eno od potencialnih domačih uporabniških področij so pametna očala in sorodni prikazovalniki, kjer je treba svetlobo projicirati. Najbolj razburljivo pa bi seveda bilo, če bi snovalci odkrili tudi kakšno povsem originalno področje rabe.

Poleg GlobalFoundries je drugi pomemben proizvajalec čipov drugega ranga izraelski Tower Semiconductor. Njuna usmeritev v specifična področja, kot so silicijeva fotonika in mikroelektromehanske naprave (MEMS), kaže na zelo živahno dejavnost, tudi če najmodernejši čipi niso več dosegljivi.