Apakah Transceiver Fotonik Silikon (SiPh) dan Perbezaannya daripada Modul Tradisional?

Apabila kelajuan pusat data berkembang ke arah 800G dan malah 1.6T, teknologi yang dikenali sebagai Silicon Photonics (SiPh) sedang mempercepat transformasi teknologi modul optik dan membentuk semula landskap industri. Jadi, apakah sebenarnya transceiver Silicon Photonics? Dan dalam aspek asas apakah ia berbeza daripada modul optik tradisional?

Evolusi Teknologi Fotonik Silikon

Daripada cadangan optik bersepadu oleh Bell Laboratories di Amerika Syarikat pada tahun 1969 hingga awal abad ke-21, apabila syarikat seperti Intel mula memasuki bidang Silicon Photonics untuk membantu memacu kejayaan teknologi, SiPh secara beransur-ansur memasuki peringkat perindustrian dan pecutan teknologi. Selepas tahun 2008, syarikat termasuk Luxtera dan Intel mula melancarkan produk bersepadu fotonik silikon komersial, menandakan kemasukan rasmi cip SiPh ke pasaran. Hal ini meletakkan asas bagi modul optik berkelajuan tinggi pada masa hadapan, seperti 400G dan Modul 800G.

Perkembangan teknologi Fotonik Silikon secara umumnya boleh dibahagikan kepada empat peringkat. Peringkat pertama melibatkan pembuatan komponen asas untuk komunikasi optik menggunakan bahan berasaskan silikon, secara beransur-ansur menggantikan komponen optik diskret. Peringkat kedua menyaksikan teknologi integrasi berkembang daripada integrasi hibrid kepada integrasi monolitik, dengan pelbagai komponen digabungkan untuk mencapai fungsi yang berbeza pada satu cip – ini merupakan keadaan semasa teknologi SiPh. Peringkat ketiga pada masa hadapan dijangka mencapai integrasi optoelektronik sepenuhnya melalui penggabungan teknologi optoelektronik. Peringkat keempat pula akan melibatkan penguraian peranti kepada berbilang unit silikon yang disusun dalam bentuk seperti matriks, membolehkan fungsi boleh atur cara melalui pengaturcaraan tersuai, lalu menghasilkan cip boleh atur cara.

Gambaran Keseluruhan Modul Optik Fotonik Silikon

Apakah SiPh Optical Transceiver?

Transceiver optik SiPh ialah modul optik berasaskan teknologi Silicon Photonics. Sebelum memahami modul fotonik silikon, adalah perlu untuk menjelaskan terlebih dahulu apakah teknologi Silicon Photonics. 

SiPh ialah teknologi generasi baharu untuk membangunkan dan mengintegrasikan peranti optik menggunakan silikon dan bahan substrat berasaskan silikon, seperti SiGe/Si dan SOI, dengan memanfaatkan proses pembuatan CMOS sedia ada.

Konsep teras di sebalik modul fotonik silikon ialah  "menggantikan elektrik dengan cahaya," yang bermaksud pancaran laser digunakan sebagai ganti isyarat elektrik untuk penghantaran data. Silicon Photonics mengintegrasikan komponen optik dan elemen elektronik dalam transceiver optik SiPh ke dalam satu mikrocip bebas, membolehkan integrasi mendalam pemprosesan isyarat optik dan pemprosesan isyarat elektrik, serta akhirnya merealisasikan interkoneksi optik sebenar.

Kelebihan Reka Bentuk Fotonik Silikon

Pertama sekali, bagi pusat data yang memerlukan penggunaan modul optik secara meluas, kelebihan paling ketara modul SiPh masih lagi kosnya yang rendah.

Dengan perkembangan industri internet, permintaan terhadap modul optik semakin beralih kepada pengecilan saiz dan prestasi tinggi. Dalam trend pengecilan saiz, modul optik konvensional menghadapi kemerosotan prestasi yang meningkat apabila cuba meningkatkan kelajuan penghantaran. Transceiver Fotonik Silikon bukan sahaja mengatasi kesesakan prestasi seperti penggunaan kuasa yang disebabkan oleh berbilang saluran dalam modul konvensional, malah turut mengurangkan kos laser.

Dalam kos modul tradisional, cip fotonik mewakili kira-kira 40% daripada jumlah kos, manakala laser menyumbang kira-kira 20%. Mengurangkan kos laser sebanyak 75% boleh mengurangkan kos keseluruhan modul sekitar 15%. Dengan memanfaatkan teknologi Silicon Photonics, integrasi tinggi modulator dan laluan optik pasif pada satu cip boleh dicapai, sekali gus mengurangkan kos cip dengan ketara.

Penggunaan kuasa yang rendah ialah satu lagi kelebihan reka bentuk SiPh. Dengan menggantikan isyarat elektrik tradisional dengan isyarat optik untuk penghantaran data, teknologi Silicon Photonics mengurangkan penggunaan tenaga yang disebabkan oleh kehilangan rintangan dan pelemahan isyarat semasa sambungan berkelajuan tinggi dengan berkesan. 

Kelebihan ketiga ialah integrasi tinggi dan pengecilan saiz. Reka bentuk SiPh menggunakan teknologi CMOS untuk mengintegrasikan pelbagai komponen optik seperti modulator, pengesan dan pandu gelombang pada satu cip fotonik silikon, menghasilkan saiz yang lebih kecil, ketumpatan lebih tinggi, pembungkusan yang dipermudah dan kebolehpercayaan yang lebih baik.

Kelemahan Transceiver Fotonik Silikon

Walaupun modul Silicon Photonics mempunyai kelebihan dalam pelbagai aspek, modul ini masih menghadapi cabaran pada tahap teknologi semasa. Peranti ini mempunyai kecekapan gandingan yang rendah antara pandu gelombang silikon dan gentian optik, kehilangan yang tinggi, dan hanya sesuai untuk penghantaran jarak pendek hingga sederhana. Selain itu, penyepaduan bahan sebatian III-V pada substrat silikon menimbulkan isu keserasian antara kedua-dua bahan tersebut, menyebabkan hasil wafer yang rendah untuk cip SiPh. Akhir sekali, pada masa ini tiada kelebihan kos pada kadar data di bawah 400G.

Aplikasi Modul Fotonik Silikon

Modul Silicon Photonics amat sesuai untuk senario jarak dekat dan lebar jalur tinggi. Kluster GPU di pusat data AI memerlukan sambungan 800G atau malah 1.6T. Penggunaan kuasa yang rendah dan ketumpatan tinggi modul Silicon Photonics dapat mengurangkan TCO. Selain itu, teknologi CPO membolehkan pembungkusan enjin Silicon Photonics dengan cip suis pada jarak sifar, seterusnya mengurangkan kependaman untuk memenuhi keperluan kependaman rendah latihan AI.

Modul SiPh berbanding Modul Transceiver Tradisional, Apakah Perbezaannya?

Seni Bina dan Bahan Teknikal

Laluan teknologi utama modul optik tradisional ialah "integrasi hibrid", yang mana beberapa peranti optik utama masih berasaskan semikonduktor sebatian III-V. Sebagai contoh, InP digunakan dalam laser, manakala GaAs atau LiNbO3 digunakan dalam modulator. Bahan-bahan ini memerlukan proses pemasangan yang kompleks, termasuk penjajaran optik, yang melibatkan campur tangan manual yang ketara. Sebagai contoh, modul tradisional 100G memerlukan penjajaran dan pembungkusan lebih daripada sepuluh komponen, termasuk empat laser 25G, empat modulator serta pemultipleks dan penyahmultipleks, yang melibatkan lebih 30 langkah proses.

Modul Siph menggunakan silikon sebagai asas dan mengukir pandu gelombang optik, modulator, pengesan dan komponen lain pada wafer silikon menggunakan proses semikonduktor CMOS, sekali gus mencapai integrasi monolitik. Proses ini serasi dengan pembuatan CPU dan boleh menggunakan barisan pengeluaran matang daripada syarikat seperti Intel untuk pengeluaran besar-besaran, mengurangkan bilangan langkah pembuatan sebanyak 60% serta menawarkan potensi besar untuk ditingkatkan.

 (Sumber: Broadcom)

Ketumpatan Integrasi dan Saiz Modul

Pengintegrasian modul optik klasik terhalang oleh cabaran bahan dan ketepatan – untuk menggandakan kadar data, hampir dua kali ganda jumlah komponen perlu digabungkan. Sebagai contoh, modul 400G konvensional terdiri daripada lapan saluran 50G, yang jauh lebih besar berbanding modul 100G. Dalam suis 1U, maksimum 32 modul 400G tradisional boleh digunakan, sehingga penggunaan ruang mencapai hadnya.

Modul SiPh menggunakan teknologi integrasi fotonik untuk memampatkan berpuluh-puluh komponen optik ke dalam cip silikon berukuran 1cm². Sebagai contoh, modul Fotonik Silikon 800G mempunyai cip teras sebesar kuku jari, yang mengintegrasikan lapan saluran 100G. Ciri berketumpatan tinggi ini membolehkan suis 1U menggunakan 64 port 800G, menggandakan ketumpatan lebar jalur dan memenuhi keperluan lebar jalur tinggi pusat data dengan sempurna.

Kos dan Kebolehskalaan

Modul optik tradisional, yang kebanyakannya dijajarkan, dibungkus dan diuji secara manual, khususnya produk berkelajuan tinggi yang mempunyai keperluan ketepatan yang amat tinggi, menyebabkan kos kekal tinggi. Pendekatan teknologi ini menghadapi batasan apabila cuba meningkatkan skala kepada kadar data yang lebih tinggi.

Sebaliknya, proses pembuatan modul fotonik silikon serasi dengan proses litar bersepadu CMOS yang matang. Hal ini membolehkan modul tersebut memanfaatkan rantaian bekalan semikonduktor sedia ada berskala besar untuk mencapai pengeluaran besar-besaran yang diseragamkan. Setelah teknologi ini mencapai kematangan, modul fotonik silikon menawarkan potensi pengurangan kos yang besar dan dapat berkembang dengan lebih mudah ke arah kadar data yang lebih tinggi serta fungsi yang lebih kompleks, sekali gus menyediakan kebolehskalaan yang sangat baik.

Ciri-ciri Prestasi

Teknologi modul optik tradisional telah matang, menawarkan prestasi yang stabil dan boleh dipercayai, serta masih mempunyai kelebihan yang tidak dapat digantikan dalam senario aplikasi tertentu, seperti penghantaran jarak ultra jauh. Modul Fotonik Silikon mempunyai kelebihan ketara dari segi penggunaan kuasa dan integrasi. Walau bagaimanapun, lasernya masih memerlukan gandingan luaran, yang merupakan salah satu cabaran teknikal. Namun begitu, dengan perkembangan teknologi CPO, penggunaan kuasa dan kependaman boleh dikurangkan lagi, dan inilah yang diperlukan oleh pusat data berskala ultra besar pada masa hadapan.

Adakah Fotonik Silikon 1.6T Akan Memasuki Pengeluaran Besar-besaran?

Dengan pertumbuhan pesat kecerdasan buatan, permintaan terhadap modul optik berkelajuan tinggi melonjak. Ditambah pula dengan teknologi Fotonik Silikon yang menawarkan seni bina produk yang lebih tersusun, pengeluar modul optik terkemuka telah mengumpulkan kepakaran teknikal yang besar dalam cip Fotonik Silikon dan teknologi berkaitan, sambil mengekalkan pelaburan berterusan. Oleh itu, modul berasaskan teknologi Fotonik Silikon semakin digemari oleh pusat data. Apabila rantaian bekalan Fotonik Silikon terus matang, modul SiPh 1.6T dijangka beralih kepada penggunaan berskala besar sekitar 2025. Selain itu, kita perlu ambil perhatian bahawa pengeluaran besar-besaran modul optik Fotonik Silikon 1.6T bukan sekadar satu kejayaan dalam teknologi tunggal, tetapi kejayaan terselaras pada peringkat sistem yang melibatkan pelbagai teknologi termaju, termasuk cip optik, cip elektrik, proses pembungkusan, sains bahan dan pengurusan terma. Ini juga menunjukkan bahawa bilangan pengeluar yang mampu bersaing dalam pasaran 1.6T akan jauh lebih sedikit berbanding era 800G, dengan halangan industri meningkat dengan ketara.

Pasaran Masa Depan Transceiver Fotonik Silikon

Menurut ramalan terkini daripada Yole Intelligence, pasaran modul Silicon Photonics sedang memasuki fasa pertumbuhan pesat. Menjelang 2029, jualan global modul Silicon Photonics dijangka mencecah $10.3 bilion.

Antaranya, modul Fotonik Silikon boleh pasang untuk pusat data merangkumi bahagian terbesar, dengan hasil yang diunjurkan kira-kira $5.3 bilion, iaitu 52% daripada jumlah keseluruhan pasaran. Modul Fotonik Silikon untuk aplikasi WDM dijangka menjana hasil sekitar $4.6 bilion, merangkumi 45% pasaran. Selain itu, segmen pasaran seperti antara muka I/O optik pusat data, seni bina NPO & CPO, telekomunikasi wayarles dan aplikasi lain juga berkembang secara beransur-ansur, dengan sumbangan bersama melebihi $200 juta dalam hasil pasaran.

Menurut data Yole, dari segi penghantaran, penghantaran modul Fotonik Silikon global telah mencapai hampir 6 juta unit pada tahun 2024, dan dijangka melebihi 12.5 juta unit pada tahun 2025, serta berpotensi mencapai 18 juta unit menjelang tahun 2029.

Kesimpulan

Modul optik fotonik silikon menggabungkan kelebihan fotonik dan teknologi CMOS, membolehkan kos yang lebih rendah, integrasi yang lebih tinggi serta prestasi terma dan lebar jalur yang lebih baik. Modul ini semakin menjadi penyelesaian utama untuk memenuhi keperluan pengkomputeran berprestasi tinggi, latihan AI berskala besar dan sambungan antara rangkaian telekomunikasi.