Медленный свет позволяет кремниевому чипу передавать данные со скоростью 200 Гбит/с

Центрам обработки данных ИИ нужно перемещать огромные объемы информации между чипами, но поднять скорость работы таких соединений без роста энергопотребления непросто. Обычные кремниевые модуляторы, преобразующие электрические сигналы в свет, обычно довольно крупные — несколько миллиметров — и либо обеспечивают эффективную модуляцию, либо обладают высокочастотными характеристиками. Это происходит оттого, что замедление света усиливает его взаимодействие с устройством, повышая эффективность, однако электрическое сопротивление может ограничивать скорость отклика модулятора. Новая конструкция решает обе проблемы.

Исследователи объединили в одном кремниевом устройстве два метода. Фотонно-кристаллический волновод — миниатюрная структура, направляющая свет внутри кремниевого чипа, — содержит особым образом расположенные крошечные отверстия. Они управляют движением света в материале, заставляя его распространяться медленнее, чем в обычном волноводе.

Этот эффект «медленного света» усиливает взаимодействие света с устройством, благодаря чему даже небольшое электрическое изменение приводит к значительному изменению выходного светового сигнала. В результате достигается более эффективная модуляция при меньших размерах устройства.

Однако электрическое сопротивление ограничивает высокочастотные характеристики обычных модуляторов «медленного света», что препятствует быстрой обработке изменяющихся сигналов. Чтобы преодолеть это ограничение, исследователи добавили встроенный электрооптический эквалайзер, который помогает модулятору работать с более быстро меняющимися сигналами. Он регулирует способ объединения различных составляющих светового сигнала, позволяя устройству сохранять свою эффективность на более высоких скоростях.

В результате диапазон частот сигналов, с которыми может работать устройство, увеличился: в одной из конфигураций — с 35 до 80 ГГц, в другой — с 23 до 55 ГГц, сообщает IE.

Устройство было изготовлено посредством технологического процесса для 300-миллиметровых пластин типа «кремний на изоляторе». Длина готового устройства составляет всего 320 мкм — включая основной блок и секцию коррекции, — тогда как традиционные кремниевые модуляторы 2–4 мм в длину. Площадь устройства целиком — примерно 0,4 мм².

При использовании 11-отводного эквалайзера низкой сложности исследователи достигли скорости передачи данных 140 Гбит/с с применением метода манипуляции включением-выключением, при котором данные кодируются с помощью двух уровней оптического сигнала. Энергопотребление модулятора составило 26 фДж на бит.

«Самое замечательное то, что технологию „медленного света“ можно реализовать с помощью процессов, совместимых с КМОП-технологией, — добавил Баба. — Это позволяет одновременно обеспечить высокую скорость работы, низкое энергопотребление и компактные размеры — именно то, что требуется для оптических передатчиков нового поколения в дата-центрах, обслуживающих системы искусственного интеллекта».

Nvidia и Cisco анонсировали недавно планы по выпуску нового оптического модуля, способного обеспечить пропускную способность до 12,8 Тбит/с. Это в четыре раза превышает плотность передачи данных существующих технологий с пропускной способностью 200 Гбит/с на линию, которые применяются в сетях дата-центров.