Что такое трансиверы на основе кремниевой фотоники (SiPh) и чем они отличаются от традиционных модулей?

По мере развития скоростей передачи данных в центрах обработки данных до 800G и даже 1,6T технология, известная как кремниевая фотоника (SiPh), ускоряет преобразование технологии оптических модулей и меняет облик отрасли. Что же представляет собой трансивер на основе кремниевой фотоники? И чем именно он принципиально отличается от традиционных оптических модулей?

Эволюция технологии кремниевой фотоники

С момента предложения Bell Laboratories в США концепции интегрированной оптики в 1969 году и до начала XXI века, когда такие компании, как Intel, начали выходить на рынок кремниевой фотоники, способствуя технологическим прорывам, SiPh постепенно перешла к этапу индустриализации и ускоренного технологического развития. После 2008 года такие компании, как Luxtera и Intel, начали выпускать коммерческие интегрированные кремниево-фотонные продукты, ознаменовав официальный выход чипов SiPh на рынок. Это заложило основу для будущих высокоскоростных оптических модулей, таких как 400G и Модули 800G.

Развитие технологии кремниевой фотоники можно условно разделить на четыре этапа. Первый этап включает производство базовых компонентов для оптической связи с использованием материалов на основе кремния, постепенно заменяющих дискретные оптические компоненты. На втором этапе технология интеграции развивается от гибридной интеграции к монолитной, при которой различные компоненты объединяются для выполнения разных функций на одном чипе – это текущее состояние технологии SiPh. На третьем этапе, в будущем, ожидается достижение полной оптоэлектронной интеграции посредством объединения оптоэлектронных технологий. Четвёртый этап будет включать разложение устройств на множество кремниевых элементов, расположенных матричным образом, что позволит реализовать программируемую функциональность с помощью индивидуального программирования и создавать программируемые чипы.

Обзор оптических модулей на основе кремниевой фотоники

Что такое оптический трансивер SiPh?

Оптические трансиверы SiPh представляют собой оптические модули, основанные на технологии кремниевой фотоники. Прежде чем изучать кремниево-фотонные модули, необходимо сначала уточнить, что такое технология кремниевой фотоники. 

SiPh — это технология нового поколения для разработки и интеграции оптических устройств с использованием кремния и материалов подложки на основе кремния, таких как SiGe/Si и SOI, за счёт применения существующих производственных процессов CMOS.

Основная концепция кремниево-фотонных модулей заключается в  "замене электричества светом", то есть в использовании лазерных лучей вместо электрических сигналов для передачи данных. Кремниевая фотоника объединяет оптические компоненты и электронные элементы в оптическом трансивере SiPh на одном независимом микрочипе, обеспечивая глубокую интеграцию обработки оптических и электрических сигналов и в конечном итоге реализуя настоящие оптические соединения.

Преимущества кремниево-фотонной конструкции

Во-первых, для центров обработки данных, где требуется широкое применение оптических модулей, наиболее существенным преимуществом модулей SiPh по-прежнему остаётся их низкая стоимость.

С развитием интернет-индустрии спрос на оптические модули всё больше смещается в сторону миниатюризации и высокой производительности. В условиях тенденции к миниатюризации обычные оптические модули сталкиваются с заметным снижением производительности при попытке увеличить скорость передачи. Трансиверы на базе кремниевой фотоники не только преодолевают такие ограничения производительности, как энергопотребление, вызванное использованием нескольких каналов в обычных модулях, но и снижают стоимость лазеров.

В структуре традиционной стоимости модуля фотонный чип составляет около 40% общей стоимости, а лазер — примерно 20%. Снижение стоимости лазера на 75% может уменьшить общую стоимость модуля примерно на 15%. Использование технологии кремниевой фотоники позволяет добиться высокой интеграции модуляторов и пассивных оптических трактов на одном чипе, значительно снижая стоимость чипа.

Низкое энергопотребление — ещё одно преимущество конструкции SiPh. Заменяя традиционные электрические сигналы оптическими сигналами для передачи данных, технология кремниевой фотоники эффективно снижает энергопотребление, вызванное резистивными потерями и затуханием сигнала при высокоскоростных соединениях. 

Третье преимущество заключается в высокой степени интеграции и миниатюризации. В конструкции SiPh используется технология CMOS для интеграции множества оптических компонентов, таких как модуляторы, детекторы и волноводы, на одном кремниевом фотонном чипе, что обеспечивает меньший размер, более высокую плотность, упрощенную упаковку и повышенную надежность.

Недостатки приемопередатчиков на основе кремниевой фотоники

Хотя модули фотоники на кремнии имеют преимущества в различных аспектах, на современном технологическом уровне они по-прежнему сталкиваются с рядом проблем. Эти устройства обладают низкой эффективностью сопряжения между кремниевыми волноводами и оптическими волокнами, характеризуются высокими потерями и подходят только для передачи данных на короткие и средние расстояния. Кроме того, интеграция соединений III-V на кремниевых подложках создает проблемы совместимости между двумя материалами, что приводит к низкому выходу годных SiPh-чипов на пластину. Наконец, в настоящее время при скоростях передачи данных ниже 400G отсутствует ценовое преимущество.

Применение кремниевого фотонного модуля

Модули кремниевой фотоники отлично подходят для сценариев с короткими расстояниями и высокой пропускной способностью. Графические процессорные кластеры в центрах обработки данных для ИИ требуют соединений 800G или даже 1.6T. Низкое энергопотребление и высокая плотность модулей кремниевой фотоники позволяют снизить совокупную стоимость владения (TCO). Кроме того, технология CPO обеспечивает упаковку фотонных движков кремниевой фотоники с чипами коммутаторов без промежуточного расстояния, что дополнительно снижает задержку и удовлетворяет требованиям к низкой задержке при обучении ИИ.

Модуль SiPh и традиционный трансиверный модуль: в чем разница?

Техническая архитектура и материалы

Основным технологическим путем традиционного оптического модуля является «гибридная интеграция», при которой некоторые ключевые оптические устройства по-прежнему создаются на основе полупроводниковых соединений III-V групп. Например, InP используется в лазерах, а GaAs или LiNbO3 — в модуляторах. Эти материалы требуют сложных процессов сборки, включая оптическое выравнивание, с существенным объемом ручного труда. Например, традиционный модуль 100G требует выравнивания и упаковки более десяти компонентов, включая четыре лазера 25G, четыре модулятора и мультиплексоры/демультиплексоры, что включает более 30 этапов обработки.

В модулях Siph в качестве основы используется кремний, на кремниевой пластине с помощью полупроводниковых процессов CMOS формируются оптические волноводы, модуляторы, детекторы и другие компоненты, что обеспечивает монолитную интеграцию. Этот процесс совместим с производством CPU и позволяет использовать зрелые производственные линии таких компаний, как Intel, для массового производства, сокращая количество производственных этапов на 60% и обеспечивая огромный потенциал для масштабирования.

 (Источник: Broadcom)

Плотность интеграции и размер модуля

Интеграция классических оптических модулей ограничена сложностями, связанными с материалами и точностью: для удвоения скорости передачи данных потребовалось бы объединить почти вдвое больше компонентов. Например, обычный модуль 400G состоит из восьми каналов по 50G, поэтому он значительно больше модуля 100G. В коммутаторе 1U можно установить не более 32 традиционных модулей 400G, что доводит эффективность использования пространства до предела.

Модули SiPh используют технологию фотонной интеграции для размещения десятков оптических компонентов на кремниевом чипе размером 1cm². Например, модуль Silicon Photonics 800G имеет основной чип размером с ноготь, объединяющий восемь каналов 100G. Эта характеристика высокой плотности позволяет коммутатору 1U разместить 64 порта 800G, удваивая плотность полосы пропускания и идеально удовлетворяя потребности центров обработки данных в высокой пропускной способности.

Стоимость и масштабируемость

Традиционные оптические модули, большинство из которых выравниваются, упаковываются и тестируются вручную, особенно высокоскоростные продукты, предъявляющие чрезвычайно высокие требования к точности, что приводит к неизменно высоким затратам. Такой технологический подход сталкивается с ограничениями при попытке масштабирования до еще более высоких скоростей передачи данных.

В отличие от этого, процесс производства кремниевых фотонных модулей совместим с отлаженными процессами изготовления интегральных схем CMOS. Это позволяет использовать существующую крупномасштабную цепочку поставок полупроводников для массового стандартизированного производства. После достижения технологической зрелости кремниевые фотонные модули обеспечивают значительный потенциал снижения затрат и могут легче развиваться в направлении более высоких скоростей передачи данных и более сложных функций, обеспечивая отличную масштабируемость.

Эксплуатационные характеристики

Традиционная технология оптических модулей является зрелой, обеспечивает стабильную и надёжную работу и по-прежнему обладает незаменимыми преимуществами в определённых сценариях применения, например при передаче на сверхдальние расстояния. Кремниево-фотонные модули имеют значительные преимущества с точки зрения энергопотребления и интеграции. Однако их лазеры по-прежнему требуют внешней связи, что является одной из технических проблем. Тем не менее с развитием технологии CPO энергопотребление и задержку можно дополнительно снизить, что именно и потребуется центрам обработки данных будущего сверхкрупного масштаба.

Выйдет ли кремниевая фотоника 1.6T в массовое производство?

В связи со стремительным развитием искусственного интеллекта спрос на высокоскоростные оптические модули резко вырос. Технология кремниевой фотоники обеспечивает более оптимизированную архитектуру изделий, а ведущие производители оптических модулей накопили значительный технический опыт в области чипов кремниевой фотоники и связанных с ними технологий, продолжая при этом постоянно инвестировать в это направление. Поэтому модули на основе технологии кремниевой фотоники пользуются все большей популярностью в центрах обработки данных. По мере дальнейшего развития цепочки поставок кремниевой фотоники ожидается, что модули SiPh 1.6T примерно в 2025 году перейдут к широкомасштабному внедрению. Кроме того, следует отметить, что массовое производство оптических модулей кремниевой фотоники 1.6T является не просто прорывом в одной технологии, а скоординированным прорывом на системном уровне, охватывающим ряд передовых технологий, включая оптические чипы, электрические чипы, процессы упаковки, материаловедение и управление тепловыделением. Это также означает, что число производителей, способных конкурировать на рынке 1.6T, будет значительно меньше, чем в эпоху 800G, а отраслевые барьеры существенно возрастут.

Будущий рынок трансиверов на основе кремниевой фотоники

Согласно последнему прогнозу Yole Intelligence, рынок кремниево-фотонных модулей вступает в фазу быстрого роста. К 2029 году ожидается, что глобальные продажи кремниево-фотонных модулей достигнут 10,3 миллиарда долларов.

Среди них подключаемые модули кремниевой фотоники для центров обработки данных занимают наибольшую долю: согласно прогнозам, их выручка составит примерно $5.3 миллиарда, что соответствует 52% всего рынка. Ожидается, что модули кремниевой фотоники для приложений WDM принесут около $4.6 миллиарда выручки, заняв 45% рынка. Кроме того, такие сегменты рынка, как оптические интерфейсы ввода-вывода центров обработки данных, архитектуры NPO и CPO, телекоммуникационные беспроводные решения и другие приложения, также постепенно расширяются и вместе формируют рыночную выручку в размере более $200 миллионов.

Согласно данным Yole, по объему поставок мировые поставки модулей кремниевой фотоники уже достигли почти 6 миллионов единиц в 2024 году, а в 2025 году, как ожидается, превысят 12.5 миллиона единиц и потенциально достигнут 18 миллионов единиц к 2029 году.

Заключение

Оптические модули на основе кремниевой фотоники объединяют преимущества фотоники и технологии CMOS, обеспечивая более низкую стоимость, более высокую степень интеграции, а также улучшенные тепловые характеристики и пропускную способность. Они становятся ключевым решением для удовлетворения требований высокопроизводительных вычислений, крупномасштабного обучения ИИ и телекоммуникационных межсоединений.