Die Technologie der Co-Packed Optoelektronik (CPO) existiert bereits seit einiger Zeit, befindet sich aber noch in der Entwicklungsphase.Senior Manager für optische Komponenten und Integration bei Corning Optical Communications, erläuterte, wie Glas eine Schlüsselrolle bei der möglichst nahen Anbindung von siliziumbasierten elektrooptischen Wandlern an Siliziumprozessoren spielt.

Datencenter-Netzwerke entwickeln sich rasant, und diese Dynamik hat sich mit dem Aufstieg der KI und dem groß angelegten Einsatz von KI-Clustern beschleunigt.Dies gilt insbesondere für die Implementierung der DGX SuperPOD-Architektur von NVIDIA und der TPU-Cluster von Google.Diese Verschiebung wird durch die Nachfrage nach Hochleistungsrechnungen zur Unterstützung von KI-Ausbildung und Schlussfolgerungsarbeiten angetrieben.NVIDIA allein wird voraussichtlich innerhalb der nächsten fünf Jahre jährlich Millionen von KI-optimierten GPU-Einheiten liefern., die bis 2028 ein bedeutendes Ausmaß erreichen wird.

Die Anzahl der Transceiver-Einheiten, die für den Aufbau dieser Netze erforderlich sind, wird jährlich Zehntausende von Millionen erreichen, und diese Geräte müssen mit Höchstgeschwindigkeiten von 1,6 Tbps und 3,2 Tbps arbeiten.Branchenanalysten gehen davon aus, dass jeder Beschleuniger (GPU) in Zukunft mit mehr als 10 Transceivern ausgestattet sein wird, was bedeutet, dass die Nachfrage nach Glasfaserverbindungen im Vergleich zum derzeitigen Einsatz um das Zehnfache steigen wird.

In einem typischen Rechenzentrum verbraucht ein standardmäßig steckbarer Ethernet-Transceiver etwa 20 Watt Strom.Auf der Grundlage der laufenden Sendungen, wird geschätzt, dass im Jahr 2024 etwa 200 Megawatt (MW) Strom an Stromtransceivern bereitgestellt werden.Auf der Grundlage der Entwicklung der Transceiver und einer voraussichtlichen Zehnfachung der Nachfrage nach optischer Konnektivität, wird der Einsatz von Transceiver-Leistung voraussichtlich auf 2 Gigawatt (GW) pro Jahr steigen, was der Leistung eines großen Kernkraftwerks entspricht.Dies schließt nicht die Leistung ein, die für die Stromversorgung der elektronischen Geräte der Hostseite und der elektrischen Retimer benötigt wird, die zur Übertragung von Daten von den integrierten Schaltungen zu den Transceivern am Frontende des Geräts verwendet werden.

Zum Beispiel könnte die Einführung der CPO-Technologie für ein KI-Rechenzentrum mit einer Million GPUs das Rechenzentrum etwa 150 Megawatt Stromerzeugungskapazität einsparen.Zusätzlich zur Verringerung der Investitionen für den Bau der entsprechenden Stromerzeugungsanlagen, diese Technologie reduziert auch die Betriebskosten erheblich. Abhängig von regionalen Energiepreisunterschieden könnten die jährlichen Stromeinsparungen leicht 100 Mio. EUR übersteigen.Mit dem Fortschritt der Initiative "East-West Computing", die Nachfrage nach großer Bandbreite,Die Entwicklung von optischen Verbindungen mit niedrigem Stromverbrauch in Supercomputing-Zentren (wie dem Wuxi Sunway TaihuLight) und intelligenten Rechenzentren (wie den KI-Rechenclustern in Peking und Shenzhen) nimmt zu.. Die CPO-Technologie wird voraussichtlich der Schlüssel zur Reduzierung des Energieverbrauchs und zur Steigerung der Effizienz für inländisch hergestellte GPUs sein.Innovation ist entscheidend.

Einführung der CPO-Technologie

CPO ist die Technologie, die diesen Energieverbrauchsengpässigkeit auf kurze Sicht am ehesten überwinden wird.Diese Technologie verschiebt das elektrooptische Umwandlungsmodul vom Transceiver auf der Vorderseite auf das GerätinnereDies minimiert den Stromverlust im Kupferkanal und führt zu einer energieeffizienteren Verbindung.,Der Stromverbrauch kann um mehr als 50% und in einigen Fällen sogar um 75% reduziert werden. This energy-saving advantage is achieved not only by reducing the use of high-loss copper channels but also by simplifying or even eliminating the digital signal processor (DSP) required to compensate for electrical signal transmission losses.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die CPO-Technologie eine optische Konnektivität mit hoher Geschwindigkeit, geringer Leistung und geringer Latenz bietet.

Eine weitere Energieeinsparungsalternative, die man in Betracht ziehen sollte, ist das lineare Steckoptikmodul (LPO).Es reduziert den Stromverbrauch und die Latenzzeit, während der Formfaktor und das Ökosystem eines vorne steckbaren Transceivers erhalten bleibenWährend CPO eine bessere Signalintegrität und eine geringere Latenzzeit bietet, ist LPO besonders für Kurzstreckenanwendungen kostengünstiger.In Kombination mit der schnellen Markteinführung, kann die breite Einführung der CPO-Technologie verzögern.

Da die Verbindungsgeschwindigkeiten jedoch auf 200G und darüber hinaus steigen, verbraucht LPO mehr Strom als CPO und wird wesentlich schwieriger zu verwalten, um eine hohe Signalqualität zu gewährleisten.Mit fortschreitender Technologie, wird CPO in Zukunft die bevorzugte Lösung werden.

Glas unterstützt die CPO-Technologie
Es wird erwartet, dass Glas eine Schlüsselrolle bei der nächsten Generation der CPO-Technologie spielen wird.Um elektrooptische Konverter (vor allem Siliziumphotonik-Chips) so nah wie möglich an die eigentlichen Siliziumprozessoren (CPUs und GPUs) zu bringen, ist eine neue Verpackungstechnologie erforderlich, die nicht nur größere Substratgrößen unterstützt, sondern auch eine optische Verbindung zu den Siliziumphotonik-Chips ermöglicht.

Die Verpackung von Halbleitern basiert traditionell hauptsächlich auf organischen Substraten, die einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Silizium aufweisen.zur Begrenzung der Höchstgröße von HalbleiterpaketenDa die Industrie weiterhin auf größere Packungssubstrate auf bestehenden Bio-Technologieplattformen drängt, reliability issues (such as solder joint integrity issues and increased risk of delamination) and manufacturing challenges (such as high-quality fine-pitch interconnect structures and high-density wiring) have become increasingly prominentDurch eine optimierte Konstruktion kann Glas jedoch einen thermischen Expansionskoeffizienten erreichen, der dem von Siliziumchips näher entspricht.Übertreffen von traditionellen organischen SubstratenDieses speziell verarbeitete Glassubstrat weist eine außergewöhnliche thermische Stabilität auf, wodurch mechanische Belastungen und Schäden bei Temperaturschwankungen verringert werden.Die überlegene mechanische Festigkeit und Flachheit bieten ein solides Fundament für die Zuverlässigkeit von SplitterverpackungenDarüber hinaus unterstützen Glassubstrate eine höhere Verbindungsdichte und feinere Tonhöhen, was die elektrische Leistung verbessert und parasitäre Wirkungen reduziert.Diese Eigenschaften machen Glas zu einer sehr zuverlässigen und präzisen Wahl für fortgeschrittene HalbleiterverpackungenDaher entwickelt die Halbleiterverpackungsindustrie aktiv fortschrittliche Glassubstrattechnologie als Substrattechnologie der nächsten Generation.

Glas-Wellenführer-Substrate
Zusätzlich zu seinen hervorragenden thermischen und mechanischen Eigenschaften kann Glas auch als optischer Wellenführer verwendet werden.Wellenleitungen in Glas entstehen typischerweise durch einen Prozess namens Ionenaustausch: Ionen im Glas werden durch andere Ionen aus einer Salzlösung ersetzt, wodurch sich der Brechungsindex des Glases ändert.Diese modifizierten Regionen können das Licht leiten.Diese Technik ermöglicht eine präzise Abstimmung der Wellenleitungs-Eigenschaften, wodurch sie für eine Vielzahl von optischen Anwendungen geeignet ist.Licht kann sich entlang integrierter Glaswellenleitungen ausbreiten und effizient in optische Fasern oder Siliziumphotonische Chips gekoppelt werdenDies macht Glas zu einer attraktiven Materialauswahl für fortschrittliche CPO-Anwendungen.

Die Integration elektrischer und optischer Verbindungen auf demselben Substrat hilft auch, die Herausforderungen bei der Dichte der Verbindungen zu bewältigen, denen Unternehmen beim Aufbau großer KI-Cluster gegenüberstehen.Die Anzahl der optischen Kanäle ist durch die Geometrie der optischen Fasern begrenzt. Der Durchmesser einer typischen Glasfaserkleidung beträgt 127 Mikrometer.Glaswellenleitungen ermöglichen jedoch dichtere Anordnungen und erhöhen die Eingangs-/Ausgangsdichte (I/O) im Vergleich zu direkten Faser-zu-Chip-Verbindungen signifikant.

Die Integration elektrischer und optischer Verbindungen löst nicht nur Dichteprobleme, sondern verbessert auch die Gesamtleistung und Skalierbarkeit von KI-Clustern.Die kompakte Natur von Glaswellenleitern ermöglicht es, mehr optische Kanäle in demselben physischen Raum unterzubringen, wodurch die Datenübertragungskapazität und -effizienz des Systems erhöht werden.Dieser Fortschritt ist entscheidend für die Entwicklung der KI-Infrastruktur der nächsten Generation in Szenarien, in denen KI-Systeme große Datenmengen verarbeiten müssen, ist eine hochdensitätsfähige Vernetzungstechnologie der Schlüssel zu einer effizienten Verwaltung.

Durch die Integration von Glaswellenleitern kann auf demselben Substrat ein komplettes optisches System aufgebaut werden, das es photonischen integrierten Schaltkreisen ermöglicht, direkt über optische Wellenleitern zu kommunizieren.Dieser Prozess eliminiert die Notwendigkeit von Glasfaserverbindungen und verbessert die Bandbreite und Abdeckung der Chipkommunikation erheblichIn Hochdichte-Systemen mit zahlreichen miteinander verbundenen Komponenten kann der Einsatz von Glaswellenleitern einen geringeren Signalverlust, eine höhere Bandbreitendichte,und eine höhere Haltbarkeit im Vergleich zu diskreten optischen FasernDiese Vorteile machen Glaswellenleitungen zu einer idealen Wahl für leistungsstarke optische Verbindungssysteme.

Die Anwendung der CPO-Technologie auf Rechenzentren der nächsten Generation und KI-Supercomputernetzwerke kann die Bandbreite von Chip-Escape erhöhen und neue Möglichkeiten für Hochgeschwindigkeits-mit einer Leistung von mehr als 50 W und. Netzwerk-Architekten haben jetzt eine einzigartige Gelegenheit, Netzwerk-Architekturen neu zu überdenken und neu zu gestalten.Sie werden eine überlegene Netzwerkleistung erzielen, was zur Verbesserung der Betriebseffizienz und zur Optimierung der Prozesse führt.

Schlussfolgerung
Die CPO-Technologie hat das Potenzial, die KI-Verbindungsarchitektur auf mehreren Ebenen zu revolutionieren.Umweltfreundlichere und kostengünstigere KI-Systeme. Darüber hinaus verbessert CPO die Effizienz und Skalierbarkeit von KI-Systemen und ermöglicht es ihnen, leichter größere und komplexere Aufgaben zu bewältigen.CPO kann die Datenübertragungsraten erhöhenDies wird auch dazu beitragen, Engpässe in künftigen KI-Systemen zu reduzieren und einen reibungsloseren und effizienteren Betrieb des Systems zu gewährleisten.

Es wird erwartet, dass künftige KI-Verbindungen direkte optische Verbindungen einführen und die Notwendigkeit von Rechenschaltern beseitigen.Diese Innovation wird die Bandbreite für KI-Aufgaben erweitern und die Geschwindigkeit und Effizienz der Verarbeitung großer Datensätze verbessernGlas ist mit seiner überlegenen Datenübertragungsfähigkeit und Skalierbarkeit ein ideales Material, um diese technologischen Fortschritte zu ermöglichen.Glasbasierte optische Verbindungen werden zu einem entscheidenden Faktor für KI-Systeme der nächsten Generation, die eine unentbehrliche Infrastruktur für Hochleistungsrechner und fortschrittliche KI-Anwendungen bilden.
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