Waarom heeftDunnefilm-lithiumniobaat PlotselingZo populair worden?

Nog niet zo lang geleden verklaarde NVIDIA-CEO Jensen Huang dat de volgende generatie AIinfrastructuurzullenvereisenAenorm hoeveelheidvan optische verbindingen, zoalskoper kabelskan niet meer voldoen aan devraag.

Dit zijn geen alarmistische praatjes.

We betreden de wereld van licht

Met desnel ontwikkelingvan informatietechnologie,mondiaal gegevensverkeer isgroeienexponentieel, en devraagvoor informatiecapaciteitEnverwerking vermogenblijftopstaan. Gedreven dooropkomendtechnologieën zoals 5G-communicatie, het internet der dingen en de cloudcomputergebruik, grootgegevensen kunstmatige intelligentie, traditioneelelektronischcommunicatiesystemen zijnsteeds meergeconfronteerd met bandbreedteknelpunten en hoog vermogenconsumptieuitdagingen.

Optische communicatietechnologie, met zijn voordelen van hoge bandbreedte, laagverliesen immuniteit tegen elektromagnetische stralinginterferentie, is een belangrijke oplossing voor deze uitdagingen geworden.

Defundamenteelreden waarom AI van de volgende generatieinfrastructuurmoetenbouwen opzwaar op optische interconnects is dat de “interconnect wall” is vervangencomputergebruikmacht als grootste knelpunt. Naarmate GPU-clusters zich uitbreiden naar tienduizenden of zelfs honderdduizenden kaarten,kanaal gegevenstarieven zijnbewegen richting224G. Bij het fysiekelaag,koper kabelszijn aan het slaangrenzen opgelegddoorhuideffect en diëlektricumverlies,comprimerenhuneffectief overdragen afstandtot minder dan 2 meter. Hierdoor kunnen ze niet voldoen aan de schaalvergrotingvereistenoverserver rekken.

Tegelijkertijd kunnen volledig optische verbindingen dat welverminderenstroomconsumptie pereenheidsbandbreedte met meer dan 40%, waardoor ze een van de grootste zijnveelbelovendwegen naar het oplossen van deenergie-efficiëntie crisisin AI-fabrieken.

Lithiumniobaat: een materiaal dat wachtteDecenniavoor zijn moment

Elektro-optische modulatoren, of EOM's, zijn cruciaalcomponentenin optische communicatiesystemen. Hunvoornaamstfunctie is omoverzettenen modulerenelektrisch signalennaar optischsignalen. Hun prestatiesdirect beïnvloedtdeoverdragensnelheid, krachtconsumptie,signaalkwaliteit, enstabiliteitvan degeheelcommunicatie systeem.

Algemeenstructuur van een communicatiesysteem met optische vezels

Lithiumniobaat, of LiNbO₃, is een kritisch elektro-optisch materiaal. Met zijn uitstekende elektro-optische effect, relatief hoge brekingsindex van ongeveer 2,2, breed transparantievenster van ongeveer 350 nm tot 5 μm en sterke chemische stabiliteit, wordt het in de fotonicagemeenschap lange tijd beschouwd als ‘optisch silicium’. Sinds de jaren zestig wordt lithiumniobaat op grote schaal gebruikt in elektro-optische modulatoren.

Hoewel lithiumniobaat echter onmisbaar is geweest op systeemniveau, bleef het gedurende bijna drie decennia grotendeels achterwege tijdens de golf van integratie op chipniveau.

De reden ligt in de beperkingen van traditionele bulklithiumniobaatmodulatoren. Deze apparaten moduleren optische signalen door een elektrisch veld te gebruiken om de fase of intensiteit van licht te regelen. Vanwege de fysieke eigenschappen van het materiaal en de beperkingen van conventionele verwerkingstechnologieën bevinden bulk-lithiumniobaatgolfgeleiders zich echter doorgaans op de schaal van millimeter tot centimeter. Dit beperkt de interactie-efficiëntie tussen het optische veld en het elektrische veld, wat betekent dat effectieve modulatie vaak hoge stuurspanningen vereist, variërend van enkele volt tot tientallen volt.

Bovendien maakt de grote omvang van het apparaat het moeilijk om te integreren met siliciumfotonicaplatforms, waardoor de toepassing ervan in opto-elektronische systemen op chipniveau wordt beperkt. Traditionele verwerkingsmethoden resulteren ook in een relatief hoog transmissieverlies van de golfgeleider, waardoor de efficiëntie van het apparaat en de transmissieprestaties over lange afstanden verder worden beperkt.

Als gevolg hiervan begonnen platforms zoals siliciumfotonica, InP en SiN snel in opkomst te komen, terwijl lithiumniobaat ooit werd gezien als een materiaal met uitstekende prestaties, maar met een slechte schaalbaarheid en een lage integratiedichtheid.

Dunnefilmtechnologie kwam precies op het moment dat de industrie het nodig had

Het keerpunt kwam met de rijping van dunne-film-lithiumniobaat- of TFLN-technologie.

Dunne-film lithiumniobaat is gebaseerd op een heterogene structuur "lithiumniobaat-isolator-substraat". Door middel van geavanceerde fabricagetechnieken zoals het snijden van kristalionen en chemisch mechanisch polijsten, kunnen dunne films van lithiumniobaat met één kristal worden gescheiden van bulkmateriaal en worden overgebracht op substraten zoals silicium, saffier of siliciumdioxide.

Vergeleken met bulklithiumniobaat maakt dunnefilmlithiumniobaat golfgeleiderstructuren op submicronschaal mogelijk met een veel sterkere optische opsluiting. Dit verbetert de interactie-efficiëntie tussen optische en elektrische velden aanzienlijk, vaak tientallen keren, waardoor de stuurspanning aanzienlijk wordt verminderd en de apparaatgrootte kleiner wordt.

Bovendien geeft het lage transmissieverlies van dunnefilmlithiumniobaat het unieke voordelen in fotonische geïntegreerde schakelingen over lange afstanden. De compatibiliteit ervan met op silicium gebaseerde platforms biedt ook een nieuwe route voor heterogene geïntegreerde fotonica.

Lithiumniobaat één-kristal dunne film, bron: Jinan Jingzheng Electronics Co., Ltd.

Of een technologie populair wordt, hangt deels af van hoe goed ze is, en deels van de vraag of het tijdperk er de juiste toepassingsvraag voor biedt.

Als we naar verschillende belangrijke prestatie-indicatoren kijken, wordt het duidelijk waarom TFLN agressief wordt toegepast in het 1,6T- en 3,2T-tijdperk:

1. Bandbreedte:Overschrijdt gemakkelijk de 100 GHz en beweegt richting 200 GHz.
2. Stroomverbruik:Slechts tientallen femtojoules per bit.
3. Signaalkwaliteit:Laag invoegverlies, extreem lage pieptoon en uitstekende lineariteit.
4. Veelzijdigheid:Eén enkel platform kan elektro-optische, niet-lineaire en kwantumfotonische functies ondersteunen.

Vanuit het perspectief van de vraag vanuit de industrie groeit de rekenkracht van AI explosief. Optische verbindingen in datacenters worden snel geüpgraded van 400G naar 800G, 1,6T en zelfs 3,2T. Dit is precies het soort tijdperk waarvoor dunnefilm-lithiumniobaat is gemaakt.

Neem als voorbeeld de veelbesproken co-packaged optica, of CPO, van vandaag. CPO verplaatst de optische engine van de inplugbare module op het voorpaneel rechtstreeks naar hetzelfde pakketsubstraat als de schakelchip of ASIC. Nadat NVIDIA het voortouw had genomen in de massaproductie van CPO-oplossingen voor de Spectrum-X- en Quantum-serie, waren de gemeten resultaten opvallend: het invoegverlies daalde van ongeveer 22 dB naar ongeveer 4 dB, de signaalintegriteit verbeterde met ongeveer 63 keer en de optische energie-efficiëntie van het systeem nam tot vijf keer toe.

CPO is echter niet simpelweg een kwestie van het “verplaatsen” van bestaande optische modules naar een nieuwe locatie. Het pakketvolume wordt drastisch verminderd, het energiebudget wordt tot op het bot verlaagd, de thermische omstandigheden worden zwaarder en de elektrische omgeving wordt extreem veeleisend. Elk onderdeel binnen de optische engine wordt tegen zijn fysieke grenzen geduwd.

Het is onder deze nieuwe beperkingen dat dunnefilm-lithiumniobaat precies op het juiste moment arriveerde. Het is geëvolueerd van een ‘prestatiebenchmark’ naar een ‘technische noodzaak’.

Met andere woorden: dunnefilm-lithiumniobaat is niet alleen populair geworden omdat het dunner is geworden, maar ook omdat de AI-computerinfrastructuur eindelijk het niveau heeft bereikt waarop TFLN nodig is als structurele dragende technologie.

Dit is de reden waarom we zien dat NVIDIA 4 miljard dollar investeert in bedrijven als Coherent en Lumentum, twee bedrijven die samen ongeveer 80% van de wereldwijde markt voor high-end dunne-film lithiumniobaatmodulatoren voor hun rekening nemen.