Was sind Silizium-Photonik-Transceiver (SiPh) und worin unterscheiden sie sich von herkömmlichen Modulen?

Da sich die Geschwindigkeiten in Rechenzentren in Richtung 800G und sogar 1.6T entwickeln, beschleunigt eine Technologie namens Silicon Photonics (SiPh) die Transformation der Technologie optischer Module und gestaltet die Branchenlandschaft neu. Was genau ist also ein Silicon-Photonics-Transceiver? Und in welchen grundlegenden Punkten unterscheidet er sich von traditionellen optischen Modulen?

Die Entwicklung der Silizium-Photonik-Technologie

Vom Vorschlag integrierter Optik durch Bell Laboratories in den Vereinigten Staaten im Jahr 1969 bis zum frühen 21. Jahrhundert, als Unternehmen wie Intel begannen, in den Bereich Silicon Photonics einzusteigen, um technologische Durchbrüche voranzutreiben, trat SiPh allmählich in eine Phase der Industrialisierung und technologischen Beschleunigung ein. Nach 2008 begannen Unternehmen wie Luxtera und Intel mit der Einführung kommerzieller integrierter siliziumphotonischer Produkte, was den formalen Markteintritt von SiPh-Chips markierte. Dies legte die Grundlage für zukünftige optische Hochgeschwindigkeitsmodule wie 400G und 800G-Module.

Die Entwicklung der Silicon-Photonics-Technologie lässt sich grob in vier Phasen unterteilen. Die erste Phase umfasst die Herstellung der zugrunde liegenden Komponenten für die optische Kommunikation unter Verwendung siliziumbasierter Materialien, wodurch diskrete optische Komponenten schrittweise ersetzt werden. In der zweiten Phase entwickelt sich die Integrationstechnologie von der hybriden Integration zur monolithischen Integration, bei der verschiedene Komponenten kombiniert werden, um unterschiedliche Funktionen auf einem einzigen Chip zu realisieren – dies ist der aktuelle Stand der SiPh-Technologie. In der dritten Phase wird künftig erwartet, dass durch die Verschmelzung optoelektronischer Technologien eine vollständige optoelektronische Integration erreicht wird. Und die vierte Phase wird darin bestehen, Bauelemente in mehrere siliziumbasierte Einheiten zu zerlegen, die matrixartig angeordnet sind und durch kundenspezifische Programmierung programmierbare Funktionalität ermöglichen, was zu programmierbaren Chips führt.

Übersicht über optische Module der Silizium-Photonik

Was ist ein optischer SiPh-Transceiver?

SiPh optische Transceiver sind optische Module auf Basis der Siliziumphotonik-Technologie. Bevor man Siliziumphotonik-Module versteht, muss zunächst geklärt werden, was Siliziumphotonik-Technologie ist. 

SiPh ist eine Technologie der neuen Generation zur Entwicklung und Integration optischer Geräte unter Verwendung von Silizium und siliziumbasierten Substratmaterialien wie SiGe/Si und SOI, wobei bestehende CMOS-Fertigungsprozesse genutzt werden.

Das Kernkonzept hinter siliziumphotonischen Modulen ist  "Elektrizität durch Licht zu ersetzen", was bedeutet, dass Laserstrahlen anstelle elektrischer Signale für die Datenübertragung verwendet werden. Silicon Photonics integriert die optischen Komponenten und elektronischen Elemente in einem optischen SiPh-Transceiver auf einem einzigen, unabhängigen Mikrochip, wodurch eine tiefe Integration der optischen Signalverarbeitung und der elektrischen Signalverarbeitung ermöglicht und letztlich echte optische Verbindungen realisiert werden.

Vorteile des Silicon-Photonics-Designs

Erstens bleibt für Rechenzentren, die einen umfangreichen Einsatz von optischen Modulen erfordern, der bedeutendste Vorteil von SiPh-Modulen ihre niedrigen Kosten.

Mit der Entwicklung der Internetbranche verlagert sich die Nachfrage nach optischen Modulen zunehmend hin zu Miniaturisierung und hoher Leistung. Im Zuge des Miniaturisierungstrends sehen sich herkömmliche optische Module beim Versuch, die Übertragungsgeschwindigkeiten zu erhöhen, mit zunehmenden Leistungseinbußen konfrontiert. Silicon-Photonics-Transceiver überwinden nicht nur Leistungsengpässe wie den durch mehrere Kanäle in herkömmlichen Modulen verursachten Stromverbrauch, sondern senken auch die Laserkosten.

Bei den herkömmlichen Modulkosten macht der photonische Chip etwa 40 % der Gesamtkosten aus, während der Laser rund 20 % beiträgt. Eine Senkung der Laserkosten um 75 % kann die Gesamtkosten des Moduls um etwa 15 % reduzieren. Durch den Einsatz von Silicon-Photonics-Technologie lässt sich eine hohe Integration von Modulatoren und passiven optischen Pfaden auf einem einzigen Chip erreichen, wodurch die Chipkosten erheblich gesenkt werden.

Ein niedriger Stromverbrauch ist ein weiterer Vorteil des SiPh-Designs. Durch den Ersatz herkömmlicher elektrischer Signale durch optische Signale für die Datenübertragung reduziert die Silicon Photonics-Technologie effektiv den Energieverbrauch, der durch ohmsche Verluste und Signaldämpfung bei Hochgeschwindigkeitsverbindungen verursacht wird. 

Der dritte Vorteil ist die hohe Integration und Miniaturisierung. Das SiPh-Design nutzt CMOS-Technologie, um mehrere optische Komponenten wie Modulatoren, Detektoren und Wellenleiter auf einem einzigen Silizium-Photonik-Chip zu integrieren, was zu einer kleineren Größe, höherer Dichte, vereinfachter Verpackung und verbesserter Zuverlässigkeit führt.

Nachteile von Silizium-Photonik-Transceivern

Während Silicon Photonics Module in verschiedenen Aspekten Vorteile haben, stehen sie beim aktuellen Stand der Technik weiterhin vor Herausforderungen. Diese Geräte weisen eine geringe Kopplungseffizienz zwischen Silizium-Wellenleitern und optischen Fasern sowie hohe Verluste auf und eignen sich nur für Übertragungen über kurze bis mittlere Distanzen. Darüber hinaus bringt die Integration von III-V-Verbundmaterialien auf Siliziumsubstraten Kompatibilitätsprobleme zwischen den beiden Materialien mit sich, was zu einer geringen Wafer-Ausbeute bei SiPh-Chips führt. Schließlich besteht derzeit bei Datenraten unter 400G kein Kostenvorteil.

Die Anwendungen des Silicon Photonics Module

Silicon Photonics-Module eignen sich hervorragend für Szenarien mit kurzen Distanzen und hoher Bandbreite. GPU-Cluster in KI-Rechenzentren erfordern 800G- oder sogar 1.6T-Verbindungen. Der geringe Stromverbrauch und die hohe Dichte von Silicon Photonics-Modulen können die TCO senken. Darüber hinaus ermöglicht die CPO-Technologie eine Zero-Distance-Verpackung von Silicon Photonics-Engines mit Switch-Chips, wodurch die Latenz weiter reduziert wird, um die Anforderungen von KI-Training an niedrige Latenz zu erfüllen.

SiPh-Modul vs. traditionelles Transceiver-Modul: Was ist der Unterschied?

Technische Architektur und Materialien

Der vorherrschende Technologiepfad des traditionellen optischen Moduls ist „hybrid integriert“, wobei einige wichtige optische Bauelemente weiterhin auf III-V-Verbindungshalbleitern basieren. Beispielsweise wird InP in Lasern verwendet, und GaAs oder LiNbO3 werden in Modulatoren eingesetzt. Diese Materialien erfordern komplexe Montageprozesse, einschließlich optischer Ausrichtung, mit erheblichem manuellem Eingriff. Am Beispiel eines traditionellen 100G-Moduls erfordert es die Ausrichtung und Verpackung von mehr als zehn Komponenten, darunter vier 25G-Laser, vier Modulatoren sowie Multiplexer/Demultiplexer, und umfasst über 30 Prozessschritte.

Siph-Module verwenden Silizium als Basis und ätzen optische Wellenleiter, Modulatoren, Detektoren und andere Komponenten mithilfe von CMOS-Halbleiterprozessen auf einen Siliziumwafer, wodurch eine monolithische Integration erreicht wird. Dieses Verfahren ist mit der CPU-Fertigung kompatibel und kann ausgereifte Produktionslinien von Unternehmen wie Intel für die Massenproduktion nutzen, wodurch die Anzahl der Fertigungsschritte um 60% reduziert wird und ein enormes Potenzial für die Skalierung bietet.

 (Quelle: Broadcom)

Integrationsdichte und Modulgröße

Die Integration klassischer optischer Module wird durch Herausforderungen bei Material und Präzision behindert – um die Datenrate zu verdoppeln, müssten nahezu doppelt so viele Komponenten kombiniert werden. Beispielsweise besteht ein herkömmliches 400G-Modul aus acht 50G-Kanälen, was deutlich größer ist als bei einem 100G-Modul. In einem 1U-Switch können maximal 32 herkömmliche 400G-Module eingesetzt werden, wodurch die Raumausnutzung an ihre Grenzen stößt.

SiPh-Module nutzen photonische Integrationstechnologie, um Dutzende optischer Komponenten auf einen 1cm² Siliziumchip zu komprimieren. Beispielsweise verfügt ein 800G Silicon Photonics-Modul über einen Kernchip von der Größe eines Fingernagels, der acht 100G-Kanäle integriert. Diese hohe Dichte ermöglicht es einem 1U-Switch, 64 800G-Ports bereitzustellen, wodurch die Bandbreitendichte verdoppelt wird und die hohen Bandbreitenanforderungen von Rechenzentren perfekt erfüllt werden.

Kosten und Skalierbarkeit

Herkömmliche optische Module, von denen die meisten manuell ausgerichtet, verpackt und getestet werden, insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsprodukten, bei denen die Präzisionsanforderungen extrem hoch sind, führen zu dauerhaft hohen Kosten. Dieser technologische Ansatz stößt an Grenzen, wenn versucht wird, auf noch höhere Datenraten zu skalieren.

Im Gegensatz dazu ist der Herstellungsprozess von siliziumphotonischen Modulen mit ausgereiften CMOS-Prozessen für integrierte Schaltungen kompatibel. Dadurch können sie die bestehende, großskalige Halbleiter-Lieferkette nutzen, um eine standardisierte Massenproduktion zu erreichen. Sobald die Technologie ausgereift ist, bieten siliziumphotonische Module ein erhebliches Kostensenkungspotenzial und können sich leichter in Richtung höherer Datenraten und komplexerer Funktionalitäten weiterentwickeln, was eine ausgezeichnete Skalierbarkeit bietet.

Leistungsmerkmale

Die Technologie herkömmlicher optischer Module ist ausgereift, bietet eine stabile und zuverlässige Leistung und besitzt in bestimmten Anwendungsszenarien, wie etwa bei der Übertragung über ultralange Distanzen, weiterhin unersetzliche Vorteile. Silizium-Photonik-Module haben deutliche Vorteile beim Stromverbrauch und bei der Integration. Ihre Laser erfordern jedoch weiterhin eine externe Kopplung, was eine der technischen Herausforderungen darstellt. Dennoch können mit der Entwicklung der CPO-Technologie Stromverbrauch und Latenz weiter reduziert werden, was genau den Anforderungen künftiger ultrgroßer Rechenzentren entspricht.

Wird 1.6T Silicon Photonics in die Massenproduktion gehen?

Mit dem explosionsartigen Wachstum der künstlichen Intelligenz ist die Nachfrage nach optischen Hochgeschwindigkeitsmodulen stark gestiegen. In Verbindung mit der Silicon-Photonics-Technologie, die eine schlankere Produktarchitektur bietet, haben führende Hersteller optischer Module erhebliches technisches Know-how bei Silicon-Photonics-Chips und verwandten Technologien aufgebaut und gleichzeitig kontinuierlich investiert. Infolgedessen werden Module auf Basis der Silicon-Photonics-Technologie von Rechenzentren zunehmend bevorzugt. Da die Lieferkette für Silicon Photonics weiter reift, wird erwartet, dass 1.6T SiPh-Module um 2025 in Richtung großflächiger Bereitstellung gehen. Darüber hinaus ist zu beachten, dass die Massenproduktion optischer 1.6T-Silicon-Photonics-Module nicht nur einen Durchbruch in einer einzelnen Technologie darstellt, sondern einen auf Systemebene koordinierten Durchbruch, der eine Reihe modernster Technologien umfasst, darunter optische Chips, elektrische Chips, Packaging-Prozesse, Materialwissenschaft und Wärmemanagement. Dies bedeutet auch, dass die Zahl der Hersteller, die auf dem 1.6T-Markt wettbewerbsfähig sein können, deutlich geringer sein wird als in der 800G-Ära, wobei die Branchenbarrieren erheblich steigen.

Der Zukunftsmarkt für Silizium-Photonik-Transceiver

Laut der neuesten Prognose von Yole Intelligence tritt der Markt für Silicon Photonics-Module in eine Phase schnellen Wachstums ein. Bis 2029 wird erwartet, dass der weltweite Umsatz mit Silicon Photonics-Modulen 10,3 Milliarden US-Dollar erreicht.

Darunter haben steckbare Silicon Photonics-Module für Rechenzentren den größten Anteil, mit einem prognostizierten Umsatz von etwa $5.3 billion, was 52% des Gesamtmarktes entspricht. Silicon Photonics-Module für WDM-Anwendungen werden voraussichtlich einen Umsatz von rund $4.6 billion erzielen und 45% des Marktes ausmachen. Darüber hinaus expandieren Marktsegmente wie optische I/O-Schnittstellen für Rechenzentren, NPO & CPO-Architekturen, drahtlose Telekommunikation und andere Anwendungen ebenfalls allmählich und tragen zusammen mehr als $200 million zum Marktumsatz bei.

Laut Daten von Yole haben die weltweiten Auslieferungen von Silicon-Photonics-Modulen im Jahr 2024 bereits nahezu 6 Millionen Einheiten erreicht und sollen 2025 voraussichtlich 12,5 Millionen Einheiten überschreiten und bis 2029 möglicherweise 18 Millionen Einheiten erreichen.

Fazit

Optische Silizium-Photonik-Module kombinieren die Stärken von Photonik und CMOS-Technologie und ermöglichen niedrigere Kosten, eine höhere Integration sowie eine verbesserte Wärme- und Bandbreitenleistung. Sie werden zu einer Schlüssellösung, um die Anforderungen von High-Performance-Computing, groß angelegtem KI-Training und Telekommunikationsverbindungen zu erfüllen.