CPO (eş-paket optoelektronik) teknolojisi bir süredir var ancak hala geliştirme aşamasındadır. Corning Optical Communications'da optik bileşenler ve entegrasyon kıdemli yöneticisi Andreas Matiss, camın silikon tabanlı elektro-optik dönüştürücüleri silikon işlemcilere mümkün olduğunca yakın yerleştirmede nasıl kilit bir rol oynadığını açıkladı.

Veri merkezi ağları hızla gelişiyor ve bu ivme, yapay zekanın (YZ) yükselişi ve YZ kümelerinin büyük ölçekli konuşlandırılmasıyla hız kazandı. Bu alandaki son gelişmeler, özellikle NVIDIA'nın DGX SuperPOD mimarisinin ve Google'ın TPU kümelerinin konuşlandırılmasıyla önemli ölçüde ilerleme kaydetti. Bu değişim, YZ eğitimi ve çıkarım görevlerini desteklemek için yüksek performanslı bilişim talebinden kaynaklanmaktadır. Sadece NVIDIA'nın önümüzdeki beş yıl içinde her yıl milyonlarca YZ için optimize edilmiş GPU birimi sevk etmesi ve 2028'e kadar önemli bir ölçeğe ulaşması bekleniyor.

Bu ağları oluşturmak için gereken alıcı-verici birimlerinin sayısı her yıl on milyonlara ulaşacak ve bu cihazların 1,6Tbps ve 3,2Tbps maksimum hızlarda çalışması gerekecek. Sektör analistleri, her bir hızlandırıcının (GPU) gelecekte 10'dan fazla alıcı-verici ile donatılacağını tahmin ediyor, bu da fiber optik bağlantılara olan talebin mevcut konuşlandırma seviyelerine kıyasla yaklaşık 10 kat artacağı anlamına geliyor.

Tipik bir veri merkezinde, standart bir takılabilir Ethernet alıcı-vericisi yaklaşık 20 watt güç tüketir. Yeni nesil alıcı-vericilerin neredeyse bunun iki katı güç tüketmesi bekleniyor. Mevcut sevkiyatlara göre, 2024'te alıcı-vericilere güç sağlamak için yaklaşık 200 megawatt (MW) güç konuşlandırılacağı tahmin ediliyor. Alıcı-verici geliştirme gidişatına ve optik bağlantıya olan talebin on kat artması beklentisine dayanarak, alıcı-verici güç konuşlandırmasının yılda 2 gigawatt'a (GW) yükselmesi öngörülüyor; bu, büyük bir nükleer santralin ürettiği güce eşdeğerdir. Bu, entegre devrelerden cihaz ön ucundaki alıcı-vericilere veri iletmek için kullanılan ana tarafı elektroniğe ve elektriksel zamanlayıcılara güç sağlamak için gereken gücü içermez.

Örneğin, bir milyon GPU ile donatılmış bir YZ veri merkezi için, CPO teknolojisinin tanıtılması veri merkezinin yaklaşık 150 megawatt güç üretim kapasitesinden tasarruf etmesini sağlayabilir. Bu teknoloji, ilgili güç üretim tesislerini inşa etmek için gereken yatırımı azaltmanın yanı sıra, işletme maliyetlerini de önemli ölçüde azaltır—bölgesel enerji fiyat farklılıklarına bağlı olarak, yıllık elektrik tasarrufu kolayca 100 milyon €'yu aşabilir. Çin'de, "Doğu-Batı Bilişim" girişiminin ilerlemesiyle birlikte, yüksek bant genişliğine sahip, düşük güçlü optik ara bağlantılara olan talep, süper bilgisayar merkezlerinde (Wuxi Sunway TaihuLight gibi) ve akıllı bilişim merkezlerinde (Pekin ve Shenzhen'deki YZ bilişim kümeleri gibi) artıyor. CPO teknolojisinin, yurt içinde üretilen GPU'lar için enerji tüketimini azaltmada ve verimliliği artırmada kilit rol oynaması bekleniyor. Bu sürdürülemez enerji tüketimi eğilimi karşısında, inovasyon çok önemlidir.

CPO teknolojisinin tanıtımı

CPO, bu enerji tüketimi darboğazını kısa vadede aşması en muhtemel teknolojidir. Bu teknoloji, elektro-optik dönüşüm modülünü ön paneldeki alıcı-vericiden cihazın içine kaydırır ve ideal olarak doğrudan CPU veya GPU paket alt tabakasına entegre eder. Bu, bakır kanaldaki güç kaybını en aza indirerek daha enerji verimli bir bağlantı sağlar. Takılabilir alıcı-vericilere kıyasla, güç tüketimi %50'nin üzerinde, bazı durumlarda ise %75'e kadar azaltılabilir. Bu enerji tasarrufu avantajı, yalnızca yüksek kayıplı bakır kanalların kullanımını azaltarak değil, aynı zamanda elektriksel sinyal iletim kayıplarını telafi etmek için gereken dijital sinyal işlemcisini (DSP) basitleştirerek veya hatta ortadan kaldırarak elde edilir.

Özetle, CPO teknolojisi yüksek hızlı, düşük güçlü ve düşük gecikmeli optik bağlantı sunar. Bu özellikler, gelişmiş YZ ağları için çok önemlidir.

Dikkate değer başka bir enerji tasarrufu alternatifi, Doğrusal Takılabilir Optik Modül (LPO)'dür. DSP çipini ortadan kaldırarak, güç tüketimini ve gecikmeyi azaltırken, ön panel takılabilir bir alıcı-vericinin form faktörünü ve ekosistemini korur. CPO daha iyi sinyal bütünlüğü ve daha düşük gecikme sunarken, LPO daha uygun maliyetlidir, özellikle kısa mesafeli uygulamalar için. LPO'nun maliyet etkinliği ve düşük güç tüketimi, hızlı pazara sunma süresiyle birleştiğinde, CPO teknolojisinin yaygın olarak benimsenmesini geciktirebilir.

Ancak, bağlantı hızları 200G ve ötesine çıktıkça, LPO CPO'dan daha fazla güç tüketir ve yüksek sinyal kalitesini sağlamak için yönetimi önemli ölçüde zorlaşır. Teknoloji gelişmeye devam ettikçe, CPO'nun gelecekte tercih edilen çözüm olması bekleniyor.

Cam CPO Teknolojisini Güçlendiriyor
Camın, yeni nesil CPO teknolojisinde kilit bir rol oynaması bekleniyor. Elektro-optik dönüştürücüleri (öncelikle silikon fotonik çipler) gerçek silikon işlemcilere (CPU'lar ve GPU'lar) mümkün olduğunca yakın getirmek için, daha büyük alt tabaka boyutlarını desteklemenin yanı sıra, silikon fotonik çiplerine optik bağlantı sağlayan yeni bir paketleme teknolojisi gereklidir.

Yarı iletken paketleme geleneksel olarak öncelikle organik alt tabakalara dayanmaktadır. Bu malzemeler, silikondan daha yüksek bir termal genleşme katsayısına sahiptir ve bu da yarı iletken paketlerin maksimum boyutunu sınırlar. Sektör, mevcut organik teknoloji platformlarında daha büyük paket alt tabakaları için çabalamaya devam ettikçe, güvenilirlik sorunları (lehim bağlantı bütünlüğü sorunları ve delaminasyon riskinin artması gibi) ve üretim zorlukları (yüksek kaliteli ince aralıklı ara bağlantı yapıları ve yüksek yoğunluklu kablolama gibi) giderek daha belirgin hale gelmiş ve paketleme ve test maliyetlerinin artmasına yol açmıştır. Ancak, optimize edilmiş tasarım sayesinde, cam, silikon çiplerin termal genleşme katsayısına daha yakın bir termal genleşme katsayısı elde edebilir ve geleneksel organik alt tabakaları aşabilir. Bu özel olarak işlenmiş cam alt tabaka, sıcaklık dalgalanmaları sırasında mekanik gerilimi ve hasarı azaltan olağanüstü termal kararlılık sergiler. Üstün mekanik mukavemeti ve düzlüğü, çip paketleme güvenilirliği için sağlam bir temel sağlar. Ayrıca, cam alt tabakalar daha yüksek ara bağlantı yoğunluğunu ve daha ince aralıkları destekleyerek elektriksel performansı iyileştirir ve parazitik etkileri azaltır. Bu özellikler, camı gelişmiş yarı iletken paketleme için son derece güvenilir ve hassas bir seçim haline getirir. Sonuç olarak, yarı iletken paketleme endüstrisi, yeni nesil alt tabaka teknolojisi olarak gelişmiş cam alt tabaka teknolojisini aktif olarak geliştirmektedir.

Cam Dalga Kılavuzu Alt Tabakaları
Cam, mükemmel termal ve mekanik özelliklerine ek olarak, optik bir dalga kılavuzu olarak işlev görecek şekilde de manipüle edilebilir. Camdaki dalga kılavuzları tipik olarak iyon değişimi adı verilen bir işlemle oluşturulur: camdaki iyonlar, bir tuz çözeltisinden farklı iyonlarla değiştirilir, böylece camın kırılma indisi değişir. Işığı daha yüksek bir kırılma indisine sahip bölgelere sınırlayarak, bu değiştirilmiş bölgeler ışığı yönlendirebilir. Bu teknik, dalga kılavuzu özelliklerinin hassas bir şekilde ayarlanmasını sağlar ve çeşitli optik uygulamalar için uygun hale getirir. Sonuç olarak, fiber benzeri yapılara sahip optik dalga kılavuzlarında, ışık entegre cam dalga kılavuzları boyunca yayılabilir ve optik fiberlere veya silikon fotonik chiplere verimli bir şekilde bağlanabilir. Bu, camı gelişmiş CPO uygulamaları için cazip bir malzeme seçimi haline getirir.

Elektriksel ve optik ara bağlantıların aynı alt tabakaya entegre edilmesi, şirketlerin büyük YZ kümeleri oluştururken karşılaştıkları ara bağlantı yoğunluğu zorluklarının da üstesinden gelmeye yardımcı olur. Şu anda, optik kanalların sayısı, optik fiberlerin geometrisiyle sınırlıdır—tipik bir optik fiber kaplamasının çapı 127 mikrondur, bir insan saçının kalınlığına yakındır. Ancak, cam dalga kılavuzları daha yoğun düzenlemeler sağlar ve doğrudan fiberden çipe bağlantılara kıyasla giriş/çıkış (G/Ç) yoğunluğunu önemli ölçüde artırır.

Elektriksel ve optik ara bağlantıların entegrasyonu, yalnızca yoğunluk sorunlarını gidermekle kalmaz, aynı zamanda YZ kümelerinin genel performansını ve ölçeklenebilirliğini de iyileştirir. Cam dalga kılavuzlarının kompakt yapısı, aynı fiziksel alanda daha fazla optik kanalın barındırılmasına olanak tanır, böylece sistemin veri iletim kapasitesini ve verimliliğini artırır. Bu gelişme, yeni nesil YZ altyapısının geliştirilmesini yönlendirmek için çok önemlidir—YZ sistemlerinin büyük miktarda veriyi işlemesi gereken senaryolarda, yüksek yoğunluklu ara bağlantı teknolojisi, verimli yönetim için çok önemlidir.

Cam dalga kılavuzları entegre edilerek, eksiksiz bir optik sistem aynı alt tabaka üzerine inşa edilebilir ve fotonik entegre devrelerin optik dalga kılavuzları aracılığıyla doğrudan iletişim kurmasını sağlar. Bu işlem, optik fiber ara bağlantılarına olan ihtiyacı ortadan kaldırır ve çipler arası iletişimin bant genişliğini ve kapsamını önemli ölçüde iyileştirir. Çok sayıda birbirine bağlı bileşene sahip yüksek yoğunluklu sistemlerde, cam dalga kılavuzlarının kullanılması, ayrı optik fiberlere kıyasla daha düşük sinyal kaybı, daha yüksek bant genişliği yoğunluğu ve daha fazla dayanıklılık sağlayabilir. Bu avantajlar, cam dalga kılavuzlarını yüksek performanslı optik ara bağlantı sistemleri için ideal bir seçim haline getirir.

CPO teknolojisinin yeni nesil veri merkezlerine ve YZ süper bilgisayar ağlarına uygulanması, çip kaçış bant genişliğini artırabilir ve 102T ve üzeri yüksek hızlı, yüksek tabanlı anahtarlar için yeni olanakların önünü açabilir. Ağ mimarları artık ağ mimarilerini yeniden hayal etmek ve yeniden tasarlamak için benzersiz bir fırsata sahip. Artan bant genişliği ve basitleştirilmiş ağ mimarileri sayesinde, üstün ağ performansı elde edecek, operasyonel verimlilik iyileştirmelerini ve süreç optimizasyonunu yönlendirecekler.

Sonuç
CPO teknolojisi, YZ ara bağlantı mimarisini birden fazla düzeyde devrim yaratma potansiyeline sahiptir. Enerji tüketimini önemli ölçüde azaltabilir ve sürdürülebilirliği iyileştirerek, YZ sistemlerini daha çevre dostu ve uygun maliyetli hale getirebilir. Ayrıca, CPO, YZ sistemlerinin verimliliğini ve ölçeklenebilirliğini artırarak, daha büyük ve daha karmaşık görevleri kolayca ele almalarını sağlar. Yoğunluk sorunlarını ele alarak, CPO veri iletim hızlarını artırabilir ve YZ bileşenleri arasında daha hızlı ve daha güvenilir iletişim sağlayabilir. Bu aynı zamanda, gelecekteki YZ sistemlerindeki darboğazların azaltılmasına yardımcı olacak ve daha sorunsuz ve daha verimli sistem çalışmasını sağlayacaktır.

Gelecekteki YZ ara bağlantılarının, hesaplama anahtarlarına olan ihtiyacı ortadan kaldıran doğrudan optik bağlantılar sunması bekleniyor. Bu yenilik, YZ görevleri için bant genişliğini genişletecek ve büyük veri kümelerinin işlenmesinin hızını ve verimliliğini artıracaktır. Üstün veri iletim yetenekleri ve ölçeklenebilirliği ile cam, bu teknolojik gelişmelerin sağlanması için ideal bir malzemedir. Cam tabanlı optik bağlantılar, yeni nesil YZ sistemleri için kritik bir sağlayıcı haline gelecek ve yüksek performanslı bilişim ve gelişmiş YZ uygulamaları için vazgeçilmez bir altyapı oluşturacaktır.
NEW LIGHT OPTICS  TECHNOLOGY LIMITED her fırsatı değerlendirmeye ve katkıda bulunmaya çalışacaktır.