چرا داردلایه نازک لیتیوم نیوبات ناگهاناینقدر محبوب شوید؟

چندی پیش، جنسن هوانگ، مدیرعامل انویدیا اظهار داشت که نسل بعدی هوش مصنوعیزیرساختخواهد شدنیاز دارندالفعظیم مقداراتصالات نوری، به عنوانمس کابل هادیگر نمی تواند ملاقات کندتقاضا.

این یک صحبت هشداردهنده نیست.

ما در حال ورود به دنیای نور هستیم

باسریع توسعهفناوری اطلاعات،جهانی داده هاترافیک استدر حال رشدبه صورت تصاعدی، وتقاضابرای اطلاعاتظرفیتوپردازش قابلیتادامه می دهدبالا آمدن. رانده شده توسطدر حال ظهورفناوری هایی مانند ارتباطات 5G، اینترنت اشیا، ابرمحاسبات، بزرگداده هاو هوش مصنوعی سنتیالکترونیکیسیستم های ارتباطی هستندبه طور فزایندهمواجهه با تنگناهای پهنای باند و قدرت بالامصرفچالش ها

فن آوری ارتباطات نوری، با مزایای آن از پهنای باند بالا، کم استاز دست دادنو ایمنی در برابر الکترومغناطیسیدخالت، به یک راه حل کلیدی برای این چالش ها تبدیل شده است.

رااساسیدلیل اینکه چرا هوش مصنوعی نسل بعدیزیرساختبایدتکیه کنیدبه شدت در اتصالات نوری این است که "دیوار اتصال" جایگزین شده استمحاسباتقدرت به عنوان بزرگترین گلوگاه همانطور که کلاسترهای GPU به ده ها هزار یا حتی صدها هزار کارت مقیاس می شوند، تککانال داده هانرخ ها هستنددر حال حرکت به سمت224G. در قسمت فیزیکیلایه،مس کابل هادر حال ضربه زدن هستندمحدودیت ها تحمیل شده استتوسطپوستاثر و دی الکتریکاز دست دادن،فشرده سازیآنهاموثر انتقال فاصلهبه کمتر از 2 متر این باعث می شود که آنها نتوانند با مقیاس خارج شوندالزاماتدر سراسرسرور قفسه ها.

در عین حال، اتصالات تمام نوری می توانندکاهش دهدقدرتمصرف در هرپهنای باند واحد بیش از 40 درصد، آنها را به یکی از بیشترین ها تبدیل می کندامیدوار کنندهمسیرهای حلانرژی-بهره وری بحراندر کارخانه های هوش مصنوعی

لیتیوم نیوبات: ماده ای که منتظر مانددهه هابرای لحظه اش

مدولاتورهای الکترواپتیکال یا EOM ها کلیدی هستنداجزاءدر سیستم های ارتباط نوری آنهااصلیتابع است بهتبدیل کنیدو تعدیل کنیدبرقی سیگنال هابه نوریسیگنال ها. عملکرد آنهامستقیما تاثیر می گذاردراانتقالسرعت، قدرتمصرف،سیگنالکیفیت، وثباتازکلسیستم ارتباطی

به طور کلیساختار یک سیستم ارتباطی فیبر نوری

لیتیوم نیوبات یا LiNbO3 یک ماده الکترواپتیک حیاتی است. با اثر الکترواپتیک عالی، ضریب شکست نسبتاً بالا در حدود 2.2، پنجره شفافیت گسترده از تقریباً 350 نانومتر تا 5 میکرومتر و پایداری شیمیایی قوی، مدت‌هاست که در جامعه فوتونیک به عنوان "سیلیکون نوری" در نظر گرفته می‌شود. از دهه 1960، نیوبات لیتیوم به طور گسترده ای در مدولاتورهای الکترواپتیکی استفاده شده است.

با این حال، اگرچه لیتیوم نیوبات در سطح سیستم ضروری بوده است، اما تقریباً برای سه دهه در طول موج ادغام در سطح تراشه پشت سر گذاشته شد.

دلیل آن در محدودیت‌های تعدیل‌کننده‌های لیتیوم نیوبات فله‌ای نهفته است. این دستگاه ها سیگنال های نوری را با استفاده از میدان الکتریکی برای کنترل فاز یا شدت نور تعدیل می کنند. با این حال، به دلیل خواص فیزیکی مواد و محدودیت‌های فناوری‌های پردازش مرسوم، موجبرهای لیتیوم نیوبات حجیم معمولاً در مقیاس میلی‌متر به سانتی‌متر هستند. این امر کارایی برهمکنش بین میدان نوری و میدان الکتریکی را محدود می‌کند، به این معنی که مدولاسیون مؤثر اغلب به ولتاژهای محرکه بالا از چندین ولت تا ده‌ها ولت نیاز دارد.

علاوه بر این، اندازه بزرگ دستگاه، ادغام با پلتفرم‌های فوتونیک سیلیکونی را دشوار می‌کند و کاربرد آن را در سیستم‌های الکترونیک نوری سطح تراشه محدود می‌کند. روش‌های پردازش سنتی همچنین منجر به تلفات انتقال موجر نسبتاً بالا، محدود کردن بیشتر بازده دستگاه و عملکرد انتقال از راه دور می‌شوند.

در نتیجه، پلتفرم هایی مانند فوتونیک سیلیکونی، InP و SiN به سرعت شروع به افزایش کردند، در حالی که زمانی لیتیوم نیوبات به عنوان ماده ای با عملکرد عالی اما مقیاس پذیری ضعیف و چگالی ادغام پایین در نظر گرفته می شد.

فناوری لایه نازک درست همانطور که صنعت به آن نیاز داشت وارد شد

نقطه عطف با بلوغ فناوری لیتیوم نیوبات لایه نازک یا TFLN بود.

لیتیم نیوبات لایه نازک بر اساس ساختار ناهمگن "لیتیوم نیوبات - عایق - بستر" است. از طریق تکنیک‌های ساخت پیشرفته مانند برش یون کریستال و پرداخت مکانیکی شیمیایی، لایه‌های نازک لیتیوم نیوبات تک کریستالی را می‌توان از مواد حجیم جدا کرد و به لایه‌هایی مانند سیلیکون، یاقوت کبود یا دی اکسید سیلیکون منتقل کرد.

در مقایسه با لیتیوم نیوبات حجیم، لایه نازک لیتیوم نیوبات ساختارهای موجبر در مقیاس زیر میکرون را با محصورت نوری بسیار قوی‌تر می‌سازد. این کار راندمان تعامل بین میدان های نوری و الکتریکی را به میزان زیادی افزایش می دهد، اغلب ده ها برابر، در نتیجه به طور قابل توجهی ولتاژ را کاهش می دهد و اندازه دستگاه را کوچک می کند.

علاوه بر این، اتلاف انتقال کم لایه نازک لیتیوم نیوبات به آن مزایای منحصر به فردی در مدارهای مجتمع فوتونیک فوتونیک در فواصل طولانی می دهد. سازگاری آن با پلتفرم های مبتنی بر سیلیکون نیز مسیر جدیدی را برای فوتونیک های یکپارچه ناهمگن فراهم می کند.

لایه نازک تک کریستالی لیتیوم نیوبات، منبع: Jinan Jingzheng Electronics Co., Ltd.

محبوب شدن یک فناوری تا حدی به خوب بودن آن بستگی دارد، و تا حدی به این بستگی دارد که آیا این دوره تقاضای مناسبی را برای آن ایجاد می کند.

با نگاهی به چندین شاخص عملکرد کلیدی، مشخص می‌شود که چرا TFLN در عصر 1.6T و 3.2T به شدت مورد استفاده قرار می‌گیرد:

1. پهنای باند:به راحتی از 100 گیگاهرتز فراتر می رود و به سمت 200 گیگاهرتز حرکت می کند.
2. مصرف برق:فقط ده ها فمتوژول در هر بیت.
3. کیفیت سیگنال:افت درج کم، صدای جیر جیر بسیار کم و خطی بودن عالی.
4. تطبیق پذیری:یک پلت فرم واحد می تواند توابع فوتونیک الکترواپتیک، غیرخطی و کوانتومی را پشتیبانی کند.

از منظر تقاضای صنعت، قدرت محاسباتی هوش مصنوعی به طور انفجاری در حال رشد است. اتصالات نوری مرکز داده به سرعت از 400G به 800G، 1.6T و حتی 3.2T ارتقا می یابد. این دقیقاً همان دورانی است که لایه نازک لیتیوم نیوبات برای آن ساخته شد.

به عنوان مثال، اپتیک بسته بندی شده مشترک یا CPO را که امروز بسیار مورد بحث قرار گرفته است، در نظر بگیرید. CPO موتور نوری را از ماژول قابل اتصال پنل جلویی مستقیماً روی همان بستر بسته به عنوان تراشه سوئیچ یا ASIC حرکت می دهد. پس از اینکه NVIDIA در تولید انبوه راه‌حل‌های CPO برای سری‌های Spectrum-X و Quantum خود پیشتاز شد، نتایج اندازه‌گیری شده قابل توجه بود: تلفات درج از حدود 22 دسی‌بل به تقریباً 4 دسی‌بل کاهش یافت، یکپارچگی سیگنال حدود 63 برابر بهبود یافت و راندمان توان نوری سیستم تا 5 برابر افزایش یافت.

با این حال، CPO صرفاً موضوع «انتقال» ماژول‌های نوری موجود به مکان جدید نیست. حجم بسته به طور چشمگیری کاهش می یابد، بودجه برق به استخوان کاهش می یابد، شرایط حرارتی سخت تر می شود و محیط الکتریکی بسیار سخت می شود. هر جزء داخل موتور نوری به سمت محدودیت های فیزیکی خود رانده می شود.

تحت این محدودیت‌های جدید است که لایه نازک لیتیوم نیوبات دقیقاً در زمان مناسب وارد می‌شود. این از یک "معیار عملکرد" ​​به یک "ضرورت مهندسی" تبدیل شده است.

به عبارت دیگر، لایه نازک لیتیوم نیوبات نه تنها به این دلیل که نازک‌تر شده است، بلکه به این دلیل که زیرساخت محاسباتی هوش مصنوعی سرانجام به سطحی رسیده است که به TFLN به عنوان یک فناوری باربر ساختاری نیاز دارد، محبوب شده است.

به همین دلیل است که شاهد سرمایه گذاری 4 میلیارد دلاری NVIDIA در شرکت هایی مانند Coherent و Lumentum هستیم، دو شرکتی که با هم حدود 80 درصد از بازار جهانی مدولاتورهای لیتیوم نیوبات لایه نازک سطح بالا را تشکیل می دهند.