Perché haNiobato di litio a film sottile All'improvvisoDiventare così popolare?

Non molto tempo fa, il CEO di NVIDIA Jensen Huang ha dichiarato che l'intelligenza artificiale di prossima generazioneinfrastruttureVolererichiedereUNmassiccio quantitàdi interconnessioni ottiche, comerame cavinon può più soddisfare ilrichiesta.

Non è un discorso allarmistico.

Stiamo entrando nel mondo della luce

Con ilrapido sviluppodell'informatica,globale datiil traffico ècrescentein modo esponenziale e ilrichiestaper informazionicapacitàEelaborazione capacitàcontinua asalita. Guidato daemergentitecnologie come le comunicazioni 5G, l’Internet delle cose, il cloudinformatica, grandedatie l'intelligenza artificiale, tradizionaleelettronicoi sistemi di comunicazione lo sonosempre piùaffrontare colli di bottiglia della larghezza di banda e potenza elevataconsumosfide.

La tecnologia di comunicazione ottica, con i suoi vantaggi di larghezza di banda elevata, bassaperditae immunità ai campi elettromagneticiinterferenza, è diventata una soluzione chiave a queste sfide.

ILfondamentalemotivo per cui l’intelligenza artificiale di prossima generazioneinfrastrutturedoverefare affidamentopesantemente sulle interconnessioni ottiche è che il "muro di interconnessione" è stato sostituitoinformaticail potere come il collo di bottiglia più grande. Poiché i cluster GPU raggiungono decine di migliaia o addirittura centinaia di migliaia di schede, le singolecanale datile tariffe sonoin movimento verso224G. A livello fisicostrato,rame cavistanno colpendo illimiti impostodipelleeffetto e dielettricoperdita,compressioneloroefficace trasmissione distanzaa meno di 2 metri. Ciò li rende incapaci di soddisfare la scalabilità orizzontalerequisitiattraversoserver rack.

Allo stesso tempo, le interconnessioni completamente ottiche possono farloridurreenergiaconsumo perlarghezza di banda unitaria di oltre il 40%, rendendoli uno dei piùpromettentepercorsi per risolvere ilenergia-efficienza crisinelle fabbriche di intelligenza artificiale.

Niobato di litio: un materiale che aspettavaDecenniper il suo momento

I modulatori elettro-ottici, o EOM, sono fondamentalicomponentinei sistemi di comunicazione ottica. Loroprincipalela funzione è quella diconvertiree modulareelettrico segnaliin otticosegnali. La loro prestazionedirettamente colpisceILtrasmissionevelocità, potenzaconsumo,segnalequalità estabilitàdelinterosistema di comunicazione.

Complessivamentestruttura di un sistema di comunicazione in fibra ottica

Il niobato di litio, o LiNbO₃, è un materiale elettroottico critico. Con il suo eccellente effetto elettro-ottico, un indice di rifrazione relativamente elevato di circa 2,2, un'ampia finestra di trasparenza da circa 350 nm a 5 μm e una forte stabilità chimica, è stato a lungo considerato nella comunità della fotonica come "silicio ottico". Dagli anni '60, il niobato di litio è stato ampiamente utilizzato nei modulatori elettro-ottici.

Tuttavia, sebbene il niobato di litio sia stato indispensabile a livello di sistema, è stato in gran parte lasciato indietro per quasi tre decenni durante l’ondata di integrazione a livello di chip.

Il motivo risiede nei limiti dei tradizionali modulatori di niobato di litio in massa. Questi dispositivi modulano i segnali ottici utilizzando un campo elettrico per controllare la fase o l'intensità della luce. Tuttavia, a causa delle proprietà fisiche del materiale e dei limiti delle tecnologie di lavorazione convenzionali, le guide d'onda in niobato di litio sfuso sono tipicamente su scala millimetro-centimetro. Ciò limita l'efficienza dell'interazione tra il campo ottico e il campo elettrico, il che significa che una modulazione efficace spesso richiede tensioni di pilotaggio elevate che vanno da diversi volt a decine di volt.

Inoltre, le grandi dimensioni del dispositivo rendono difficile l’integrazione con le piattaforme fotoniche del silicio, limitandone l’applicazione nei sistemi optoelettronici a livello di chip. I metodi di elaborazione tradizionali comportano inoltre una perdita di trasmissione della guida d'onda relativamente elevata, limitando ulteriormente l'efficienza del dispositivo e le prestazioni di trasmissione a lunga distanza.

Di conseguenza, piattaforme come la fotonica del silicio, InP e SiN hanno iniziato a crescere rapidamente, mentre il niobato di litio un tempo era visto come un materiale con prestazioni eccellenti ma scarsa scalabilità e bassa densità di integrazione.

La tecnologia a film sottile è arrivata proprio quando l’industria ne aveva bisogno

Il punto di svolta è arrivato con la maturazione della tecnologia del niobato di litio a film sottile, o TFLN.

Il niobato di litio a film sottile si basa su una struttura eterogenea “niobato di litio-isolante-substrato”. Attraverso tecniche di fabbricazione avanzate come il taglio di ioni cristallini e la lucidatura chimico-meccanica, i film sottili di niobato di litio monocristallino possono essere separati dal materiale sfuso e trasferiti su substrati come silicio, zaffiro o biossido di silicio.

Rispetto al niobato di litio in massa, il niobato di litio a film sottile consente strutture di guida d'onda su scala submicronica con confinamento ottico molto più forte. Ciò migliora notevolmente l'efficienza dell'interazione tra i campi ottici ed elettrici, spesso di decine di volte, riducendo così in modo significativo la tensione di pilotaggio e le dimensioni del dispositivo.

Inoltre, la bassa perdita di trasmissione del niobato di litio a film sottile offre vantaggi unici nei circuiti integrati fotonici a lunga distanza. La sua compatibilità con le piattaforme basate sul silicio fornisce anche una nuova strada per la fotonica integrata eterogenea.

Film sottile monocristallino di niobato di litio, fonte: Jinan Jingzheng Electronics Co., Ltd.

Il fatto che una tecnologia diventi popolare dipende in parte da quanto è valida e in parte dal fatto che l’epoca le offra la giusta domanda applicativa.

Osservando diversi indicatori chiave di prestazione, diventa chiaro il motivo per cui il TFLN viene adottato in modo aggressivo nell’era 1.6T e 3.2T:

1. Larghezza di banda:Supera facilmente i 100 GHz e si sta spostando verso i 200 GHz.
2. Consumo energetico:Solo decine di femtojoule per bit.
3. Qualità del segnale:Bassa perdita di inserzione, chirp estremamente basso ed eccellente linearità.
4. Versatilità:Una singola piattaforma può supportare funzioni elettro-ottiche, non lineari e fotoniche quantistiche.

Dal punto di vista della domanda del settore, la potenza di calcolo dell’intelligenza artificiale sta crescendo in modo esplosivo. Le interconnessioni ottiche dei data center si stanno rapidamente aggiornando da 400G a 800G, 1,6T e persino 3,2T. Questo è esattamente il tipo di era per cui è stato creato il niobato di litio a film sottile.

Prendiamo come esempio l'ottica co-packaged, o CPO, molto discussa di oggi. CPO sposta il motore ottico dal modulo collegabile del pannello frontale direttamente sullo stesso substrato del package del chip dello switch o dell'ASIC. Dopo che NVIDIA ha assunto la guida della produzione di massa di soluzioni CPO per le serie Spectrum-X e Quantum, i risultati misurati sono stati sorprendenti: la perdita di inserzione è scesa da circa 22 dB a circa 4 dB, l'integrità del segnale è migliorata di circa 63 volte e l'efficienza della potenza ottica del sistema è aumentata fino a 5 volte.

Tuttavia, il CPO non significa semplicemente “spostare” i moduli ottici esistenti in una nuova posizione. Il volume del package viene drasticamente ridotto, il budget energetico ridotto all'osso, le condizioni termiche diventano più rigide e l'ambiente elettrico diventa estremamente esigente. Ogni componente all'interno del motore ottico è spinto verso i suoi limiti fisici.

È sotto questi nuovi vincoli che il niobato di litio a film sottile è arrivato esattamente al momento giusto. Si è evoluto da un “punto di riferimento delle prestazioni” in una “necessità ingegneristica”.

In altre parole, il niobato di litio a film sottile è diventato popolare non solo perché è diventato più sottile, ma perché l’infrastruttura informatica dell’intelligenza artificiale ha finalmente raggiunto il livello in cui ha bisogno del TFLN come tecnologia portante strutturale.

Questo è il motivo per cui vediamo NVIDIA investire 4 miliardi di dollari in aziende come Coherent e Lumentum, due società che insieme rappresentano circa l’80% del mercato globale dei modulatori al niobato di litio a film sottile di fascia alta.