تكنولوجيا CPO (الالكترونيات الضوئية المجمعة) موجودة منذ فترة ولكن لا تزال في مرحلة التطوير.مدير كبير للمكونات البصرية والتكامل في شركة كورنينغ للاتصالات البصرية، أوضحت كيف أن الزجاج يلعب دورًا رئيسيًا في وضع المحولات الكهربائية البصرية القائمة على السيليكون قريبة قدر الإمكان من معالجات السيليكون.

تتطور شبكات مراكز البيانات بسرعة، وقد تسارعت هذه الزخم مع صعود الذكاء الاصطناعي ونشر نجمات الذكاء الاصطناعي على نطاق واسع.خاصة مع نشر هندسة NVIDIA DGX SuperPOD ومجموعات TPU من Googleهذا التحول مدفوع بالطلب على الحوسبة عالية الأداء لدعم مهام تدريب الذكاء الاصطناعي والاستنتاج.من المتوقع أن تقوم شركة NVIDIA وحدها بشحن ملايين وحدات معالجة معالجة معالجة ذكية محسّنة سنوياً خلال السنوات الخمس المقبلة، والتي ستصل إلى نطاق كبير بحلول عام 2028.

عدد وحدات الإرسال والإستقبال المطلوبة لبناء هذه الشبكات سوف يصل إلى عشرات الملايين سنويا، وهذه الأجهزة سوف تحتاج إلى العمل في سرعات قصوى من 1.6Tbps و 3.2Tbps.يتنبأ محللون في الصناعة بأن كل جهاز تسريع (GPU) سيتم تجهيزه بأكثر من 10 أجهزة استقبال في المستقبل، مما يعني أن الطلب على اتصالات الألياف الضوئية سيزيد حوالي 10 أضعاف مقارنة بمستويات الانتشار الحالية.

في مركز بيانات نموذجي ، يستهلك جهاز إرسال Ethernet القياسي القابل للشبكة حوالي 20 واط من الطاقة. من المتوقع أن يستهلك جهاز الاستقبال من الجيل التالي ما يقرب من ضعف هذه الطاقة.بناء على الشحنات الحالية، يقدر أن حوالي 200 ميجاوات (ميجاوات) من الطاقة سيتم نشرها إلى أجهزة الاستقبال في 2024.استنادا إلى مسار تطوير جهاز الاستقبال و الزيادة المتوقعة في الطلب على الاتصال البصري، من المتوقع أن يرتفع توزيع طاقة جهاز الاستقبال إلى 2 جيجاوات (جي دبليو) سنوياً ، أي ما يعادل الطاقة المولدة من محطة توليد طاقة نووية كبيرة.هذا لا يشمل الطاقة المطلوبة لتشغيل الإلكترونيات الجانب المضيف والمؤقتات الكهربائية المستخدمة لنقل البيانات من الدوائر المتكاملة إلى جهاز الاستقبال على الطرف الأمامي للجهاز.

على سبيل المثال، بالنسبة لمركز بيانات الذكاء الاصطناعي مجهز بمليون GPU، يمكن أن يوفر تقنية CPO لمركز البيانات ما يقرب من 150 ميغاواط من طاقة توليد الطاقة.بالإضافة إلى خفض الاستثمار المطلوب لبناء مرافق توليد الطاقة المقابلة، هذه التكنولوجيا تخفض أيضًا تكاليف التشغيل بشكل كبير، اعتماداً على الاختلافات الإقليمية في أسعار الطاقة، يمكن بسهولة أن تتجاوز وفورات الكهرباء السنوية 100 مليون يورو.مع تقدم مبادرة "الحوسبة الشرقية الغربية"الطلب على عرض النطاق الترددي العاليتتزايد الاتصالات الضوئية ذات الطاقة المنخفضة في مراكز الحوسبة الفائقة (مثل Wuxi Sunway TaihuLight) ومراكز الحوسبة الذكية (مثل مجموعات حوسبة الذكاء الاصطناعي في بكين وشنتشن)من المتوقع أن تكون تكنولوجيا CPO مفتاحًا للحد من استهلاك الطاقة وزيادة كفاءة GPUs المنتجة محليًا.الابتكار أمر حاسم.

إدخال تكنولوجيا CPO

إن CPO هي التكنولوجيا الأكثر احتمالاً للتغلب على هذه القيود في استهلاك الطاقة على المدى القصير.هذه التكنولوجيا تحرك وحدة التحويل الكهرو البصري من جهاز الاستقبال على اللوحة الأمامية إلى داخل الجهاز، من الناحية المثالية دمجها مباشرة على قاعدة CPU أو GPU. هذا يقلل من فقدان الطاقة في قناة النحاس ، مما يؤدي إلى وصلة أكثر كفاءة في استخدام الطاقة. مقارنة مع أجهزة الاستقبال القابلة للتوصيل.,يمكن تخفيض استهلاك الطاقة بأكثر من 50٪، وفي بعض الحالات، حتى 75٪. This energy-saving advantage is achieved not only by reducing the use of high-loss copper channels but also by simplifying or even eliminating the digital signal processor (DSP) required to compensate for electrical signal transmission losses.

باختصار، توفر تكنولوجيا CPO اتصال بصري عالي السرعة، منخفض الطاقة، وانخفاض فترات التأخير. هذه الخصائص هي مفتاح الشبكات الذكية المتقدمة.

بديل آخر لتوفير الطاقة يستحق النظر فيه هو الوحدة البصرية الخطي القابلة للتوصيل (LPO).يقلل من استهلاك الطاقة والفترة الزمنية مع الحفاظ على عامل الشكل والنظام البيئي للمستقبل القابل للتوصيل في اللوحة الأماميةفي حين أن CPO يوفر سلامة إشارة أفضل وانخفاض فترة تأخير، LPO هي أكثر فعالية من حيث التكلفة، وخاصة للتطبيقات قصيرة المدى.جنبا إلى جنب مع الوقت السريع إلى السوق، قد يؤخر اعتماد تكنولوجيا CPO على نطاق واسع.

ومع ذلك ، مع زيادة سرعات الروابط إلى 200 جيجيت وخارجها ، يستهلك LPO طاقة أكثر من CPO ويصبح من الصعب بشكل كبير إدارته من أجل ضمان جودة إشارة عالية.مع تقدم التكنولوجيامن المتوقع أن تصبح CPO الحل المفضل في المستقبل.

الزجاج يعزز تكنولوجيا CPO
من المتوقع أن يلعب الزجاج دورًا رئيسيًا في الجيل القادم من تكنولوجيا CPO.لجلب محولات الكهرباء البصرية (بشكل أساسي رقائق الفوتونيات السيليكونية) أقرب ما يمكن إلى معالجات السيليكون الفعلية (CPUs و GPUs)، هناك حاجة إلى تكنولوجيا تغليف جديدة لا تدعم فقط أحجام الركائز الكبيرة بل تمكن أيضًا من الاتصال البصري بشرائط الفوتونيات السيليكونية.

اعتمدت عبوات أشباه الموصلات تقليدياً بشكل أساسي على الركائز العضوية. هذه المواد لديها معامل توسع حراري أعلى من السيليكون.الحد من الحجم الأقصى لحزم أشباه الموصلاتمع استمرار الصناعة في الضغط على أجزاء أكبر من الحزمة على منصات التكنولوجيا العضوية الحالية، reliability issues (such as solder joint integrity issues and increased risk of delamination) and manufacturing challenges (such as high-quality fine-pitch interconnect structures and high-density wiring) have become increasingly prominent، مما يؤدي إلى زيادة تكاليف التعبئة والاختبار. ومع ذلك ، من خلال التصميم المثالي ، يمكن للزجاج تحقيق معامل توسع حراري يتناسب بشكل أقرب مع رقائق السيليكون ،تتفوق على الأساسيات العضوية التقليديةيظهر هذا الركيزة الزجاجية المعالجة خصيصًا استقرارًا حراريًا استثنائيًا ، مما يقلل من الإجهاد الميكانيكي والتلف أثناء تقلبات درجة الحرارة.قوة ميكانيكية متفوقة وسطحية توفر أساسا صلبا لموثوقية حزم الشريحةوعلاوة على ذلك، فإن الركائز الزجاجية تدعم كثافة اتصال أعلى وأوضاع أكثر دقة، مما يحسن الأداء الكهربائي ويقلل من الآثار الطفيلية.هذه الخصائص تجعل الزجاج خيارًا موثوقًا ودقيقًا للغاية لتغليف أشباه الموصلات المتقدمةونتيجة لذلك، فإن صناعة حزم أشباه الموصلات تعمل بنشاط على تطوير تكنولوجيا الركيزة الزجاجية المتقدمة لتكنولوجيا الجيل التالي من الركيزة.

أجزاء من الزجاج الموجه للأمواج
بالإضافة إلى خصائصها الحرارية والميكانيكية الممتازة، يمكن أيضًا التلاعب بالزجاج للعمل كمرشد موجي بصري.عادة ما يتم إنشاء الموجات في الزجاج من خلال عملية تسمى تبادل الأيونات: يتم استبدال الأيونات في الزجاج بأيونات مختلفة من محلول الملح ، وبالتالي تغيير مؤشر انكسار الزجاج.هذه المناطق المعدلة يمكنها توجيه الضوءهذه التقنية تمكن من ضبط خصائص الموجهات بدقة، مما يجعلها مناسبة لمجموعة متنوعة من التطبيقات البصرية. وبالتالي، في الموجهات البصرية ذات الهياكل الشبيهة بالألياف،يمكن أن ينتشر الضوء على طول الموجات الزجاجية المتكاملة ويتم توصيله بكفاءة في الألياف البصرية أو رقائق السيليكون الفوتونيةهذا يجعل الزجاج خيار مادة جذابة لتطبيقات CPO المتقدمة.

كما يساعد دمج الارتباطات الكهربائية والبصرية على نفس القاعدة على معالجة تحديات كثافة الارتباطات التي تواجهها الشركات عند بناء مجموعات الذكاء الاصطناعي الكبيرة.عدد القنوات الضوئية محدودة من قبل هندسة الألياف الضوئية، قطر غطاء الألياف الضوئية النموذجي هو 127 ميكرون.ومع ذلك، فإن الموجهات الموجية الزجاجية تمكن من ترتيبات أكثر كثافة، مما يزيد بشكل كبير من كثافة المدخلات والمخرجات (I / O) مقارنة بالاتصالات المباشرة من الألياف إلى الرقاقة.

لا يعالج تكامل الروابط المتبادلة الكهربائية والبصرية قضايا الكثافة فحسب ، بل يحسن أيضًا الأداء العام وقابلية توسيع مجموعات الذكاء الاصطناعي.تسمح الطبيعة المدمجة للموجات الزجاجية لتسوية المزيد من القنوات البصرية في نفس المساحة المادية، وبالتالي زيادة قدرة نقل البيانات في النظام وكفاءته.هذا التقدم حاسم لدفع تطوير بنية تحتية الذكاء الاصطناعي من الجيل القادم في السيناريوهات التي يجب على أنظمة الذكاء الاصطناعي معالجة كميات هائلة من البيانات، تكنولوجيا الارتباطات عالية الكثافة هي مفتاح الإدارة الفعالة.

من خلال دمج الموجات الزجاجية ، يمكن بناء نظام بصري كامل على نفس الروك ، مما يتيح للدوائر المتكاملة الفوتونية التواصل مباشرة من خلال الموجات البصرية.هذه العملية تلغي الحاجة إلى اتصالات الألياف الضوئية وتحسن بشكل كبير عرض النطاق الترددي وتغطية الاتصالات بين الرقائقفي الأنظمة عالية الكثافة مع العديد من المكونات المترابطة ، يمكن استخدام الموجات الزجاجية تحقيق خسارة إشارة أقل ، وكثافة عرض النطاق الترددي أعلى ،ومتانة أكبر مقارنة بالألياف البصرية المنفصلةهذه المزايا تجعل الموجات الزجاجية خيارًا مثاليًا لأنظمة الترابط البصري عالية الأداء.

تطبيق تكنولوجيا CPO لمراكز البيانات من الجيل القادم وشبكات الكمبيوتر الفائق الذكاء الاصطناعي يمكن أن يزيد من عرض النطاق الترددي للشريحة، مما يفتح إمكانيات جديدة للسرعة العالية،مفاتيح ذات جذور عالية من 102T وما فوقيمتلك مهندسو الشبكات الآن فرصة فريدة لإعادة تخيل وتصميم بنية الشبكة. بفضل زيادة عرض النطاق الترددي وبنيات الشبكة المبسطة،سوف يحققون أداء شبكة متفوق، مما يؤدي إلى تحسين الكفاءة التشغيلية وتحسين العمليات.

الاستنتاج
تكنولوجيا CPO لديها القدرة على إحداث ثورة في بنية ربط الذكاء الاصطناعي على مستويات متعددة. يمكن أن تقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة وتحسين الاستدامة.جعل أنظمة الذكاء الاصطناعي أكثر صديقة للبيئة وفعالية من حيث التكلفةوبالإضافة إلى ذلك، فإن CPO يحسن من كفاءة وتوسع نطاق أنظمة الذكاء الاصطناعي، مما يمكنهم من التعامل بسهولة مع مهام أكبر وأكثر تعقيدًا. من خلال معالجة مشاكل الكثافة،CPO يمكن أن تزيد من معدلات نقل البيانات، مما يضمن اتصال أسرع وأكثر موثوقية بين مكونات الذكاء الاصطناعي. وهذا سيساعد أيضًا في تقليل اختناقات أنظمة الذكاء الاصطناعي في المستقبل ، مما يضمن تشغيل نظام أكثر سلاسة وكفاءة.

من المتوقع أن تقدم الاتصالات المتبادلة المستقبلية للذكاء الاصطناعي روابط بصرية مباشرة، مما يلغي الحاجة إلى مفاتيح الحوسبة.هذا الابتكار سوف يوسع نطاق النطاق الترددي لمهام الذكاء الاصطناعي ويحسن سرعة وكفاءة معالجة مجموعات البيانات الكبيرةالزجاج، مع قدراته المتفوقة لنقل البيانات وقابليته للتوسع، هو مادة مثالية لتمكين هذه التطورات التكنولوجية.ستصبح الروابط البصرية القائمة على الزجاج عاملًا حاسمًا في أنظمة الذكاء الاصطناعي الجيل القادم، تشكل بنية تحتية لا غنى عنها للحوسبة عالية الأداء وتطبيقات الذكاء الاصطناعي المتقدمة.
شركة نيو لايت أوبتيكس للتكنولوجيا المحدودة سوف تسعى جاهدة لاستغلال كل فرصة والمساهمة.