La tecnología CPO (óptica co-empaquetada) existe desde hace algún tiempo, pero aún se encuentra en sus etapas de desarrollo. Andreas Matiss, gerente sénior de componentes ópticos e integración en Corning Optical Communications, explicó cómo el vidrio juega un papel clave en la colocación de convertidores electro-ópticos basados en silicio lo más cerca posible de los procesadores de silicio.

Las redes de centros de datos están evolucionando rápidamente, y este impulso se ha acelerado con el auge de la IA y el despliegue a gran escala de clústeres de IA. El progreso reciente en esta área ha sido significativo, particularmente con el despliegue de la arquitectura DGX SuperPOD de NVIDIA y los clústeres TPU de Google. Este cambio está impulsado por la demanda de computación de alto rendimiento para soportar tareas de entrenamiento e inferencia de IA. Se espera que solo NVIDIA envíe millones de unidades de GPU optimizadas para IA anualmente en los próximos cinco años, alcanzando una escala significativa para 2028.

El número de unidades transceptoras necesarias para construir estas redes alcanzará las decenas de millones anualmente, y estos dispositivos deberán operar a velocidades máximas de 1,6 Tbps y 3,2 Tbps. Los analistas de la industria predicen que cada acelerador (GPU) estará equipado con más de 10 transceptores en el futuro, lo que significa que la demanda de conexiones de fibra óptica aumentará aproximadamente 10 veces en comparación con los niveles de despliegue actuales.

En un centro de datos típico, un transceptor Ethernet enchufable estándar consume aproximadamente 20 vatios de energía. Se espera que los transceptores de próxima generación consuman casi el doble de esa energía. Según los envíos actuales, se estima que se desplegarán aproximadamente 200 megavatios (MW) de energía para alimentar los transceptores en 2024. Según la trayectoria del desarrollo de transceptores y un aumento esperado de diez veces en la demanda de conectividad óptica, se proyecta que el despliegue de energía de los transceptores aumente a 2 gigavatios (GW) por año, lo que equivale a la energía generada por una gran central nuclear. Esto no incluye la energía necesaria para alimentar la electrónica del lado del host y los retimadores eléctricos utilizados para transmitir datos desde los circuitos integrados a los transceptores en el extremo frontal del dispositivo.

Por ejemplo, para un centro de datos de IA equipado con un millón de GPU, la introducción de la tecnología CPO podría ahorrar al centro de datos aproximadamente 150 megavatios de capacidad de generación de energía. Además de reducir la inversión necesaria para construir las instalaciones de generación de energía correspondientes, esta tecnología también reduce significativamente los costos operativos, dependiendo de las diferencias regionales de precios de la energía, los ahorros anuales de electricidad podrían superar fácilmente los 100 millones de euros. En China, con el avance de la iniciativa "Cómputo Este-Oeste", la demanda de interconexiones ópticas de alto ancho de banda y bajo consumo de energía está aumentando en los centros de supercomputación (como el Wuxi Sunway TaihuLight) y los centros de computación inteligente (como los clústeres de computación de IA en Beijing y Shenzhen). Se espera que la tecnología CPO sea clave para reducir el consumo de energía y aumentar la eficiencia de las GPU producidas internamente. Ante esta tendencia insostenible de consumo de energía, la innovación es crucial.

Introducción de la tecnología CPO

CPO es la tecnología con más probabilidades de superar este cuello de botella de consumo de energía a corto plazo. Esta tecnología traslada el módulo de conversión electro-óptica del transceptor en el panel frontal al interior del dispositivo, idealmente integrándolo directamente en el sustrato del paquete de la CPU o GPU. Esto minimiza la pérdida de energía en el canal de cobre, lo que resulta en un enlace más eficiente energéticamente. En comparación con los transceptores enchufables, el consumo de energía se puede reducir en más del 50% y, en algunos casos, hasta en un 75%. Esta ventaja de ahorro de energía se logra no solo al reducir el uso de canales de cobre de alta pérdida, sino también al simplificar o incluso eliminar el procesador de señal digital (DSP) necesario para compensar las pérdidas de transmisión de señales eléctricas.

En resumen, la tecnología CPO ofrece conectividad óptica de alta velocidad, bajo consumo y baja latencia. Estas características son clave para las redes de IA avanzadas.

Otra alternativa de ahorro de energía que vale la pena considerar es el Módulo Óptico Enchufable Lineal (LPO). Al eliminar el chip DSP, reduce el consumo de energía y la latencia, manteniendo el factor de forma y el ecosistema de un transceptor enchufable de panel frontal. Si bien CPO ofrece una mejor integridad de la señal y una menor latencia, LPO es más rentable, particularmente para aplicaciones de corto alcance. La rentabilidad y el bajo consumo de energía de LPO, combinados con su rápido tiempo de comercialización, pueden retrasar la adopción generalizada de la tecnología CPO.

Sin embargo, a medida que las velocidades de enlace aumentan a 200G y más allá, LPO consume más energía que CPO y se vuelve significativamente más difícil de gestionar para garantizar una alta calidad de señal. A medida que la tecnología continúa avanzando, se espera que CPO se convierta en la solución preferida en el futuro.

El vidrio potencia la tecnología CPO
Se espera que el vidrio juegue un papel clave en la próxima generación de tecnología CPO. Para acercar los convertidores electro-ópticos (principalmente chips de fotónica de silicio) lo más posible a los procesadores de silicio reales (CPU y GPU), se requiere una nueva tecnología de empaquetado que no solo admita tamaños de sustrato más grandes, sino que también permita la conectividad óptica a los chips de fotónica de silicio.

El empaquetado de semiconductores tradicionalmente se ha basado principalmente en sustratos orgánicos. Estos materiales tienen un coeficiente de expansión térmica más alto que el silicio, lo que limita el tamaño máximo de los paquetes de semiconductores. A medida que la industria continúa impulsando sustratos de paquetes más grandes en las plataformas de tecnología orgánica existentes, los problemas de confiabilidad (como los problemas de integridad de las juntas de soldadura y el mayor riesgo de deslaminación) y los desafíos de fabricación (como las estructuras de interconexión de paso fino de alta calidad y el cableado de alta densidad) se han vuelto cada vez más prominentes, lo que lleva al aumento de los costos de empaquetado y prueba. Sin embargo, a través de un diseño optimizado, el vidrio puede lograr un coeficiente de expansión térmica que se asemeja más al de los chips de silicio, superando a los sustratos orgánicos tradicionales. Este sustrato de vidrio especialmente procesado exhibe una estabilidad térmica excepcional, lo que reduce el estrés mecánico y los daños durante las fluctuaciones de temperatura. Su resistencia mecánica y planitud superiores proporcionan una base sólida para la confiabilidad del empaquetado de chips. Además, los sustratos de vidrio admiten una mayor densidad de interconexión y pasos más finos, lo que mejora el rendimiento eléctrico y reduce los efectos parásitos. Estas propiedades hacen que el vidrio sea una opción altamente confiable y precisa para el empaquetado avanzado de semiconductores. En consecuencia, la industria del empaquetado de semiconductores está desarrollando activamente la tecnología de sustrato de vidrio avanzado como la tecnología de sustrato de próxima generación.

Sustratos de guía de onda de vidrio
Además de sus excelentes propiedades térmicas y mecánicas, el vidrio también se puede manipular para funcionar como una guía de onda óptica. Las guías de onda en vidrio se crean típicamente a través de un proceso llamado intercambio iónico: los iones en el vidrio se reemplazan con diferentes iones de una solución de sal, cambiando así el índice de refracción del vidrio. Al confinar la luz a regiones con un índice de refracción más alto, estas regiones modificadas pueden guiar la luz. Esta técnica permite un ajuste preciso de las propiedades de la guía de onda, lo que la hace adecuada para una variedad de aplicaciones ópticas. En consecuencia, en guías de onda ópticas con estructuras similares a fibras, la luz puede propagarse a lo largo de guías de onda de vidrio integradas y acoplarse eficientemente a fibras ópticas o chips fotónicos de silicio. Esto hace que el vidrio sea una opción de material atractiva para aplicaciones CPO avanzadas.

La integración de interconexiones eléctricas y ópticas en el mismo sustrato también ayuda a abordar los desafíos de densidad de interconexión que enfrentan las empresas al construir grandes clústeres de IA. Actualmente, el número de canales ópticos está limitado por la geometría de las fibras ópticas: el diámetro de un revestimiento de fibra óptica típico es de 127 micras, aproximadamente el grosor de un cabello humano. Sin embargo, las guías de onda de vidrio permiten arreglos más densos, lo que aumenta significativamente la densidad de entrada/salida (E/S) en comparación con las conexiones directas de fibra a chip.

La integración de interconexiones eléctricas y ópticas no solo aborda los problemas de densidad, sino que también mejora el rendimiento general y la escalabilidad de los clústeres de IA. La naturaleza compacta de las guías de onda de vidrio permite que se acomoden más canales ópticos dentro del mismo espacio físico, lo que aumenta la capacidad y la eficiencia de la transmisión de datos del sistema. Este avance es crucial para impulsar el desarrollo de la infraestructura de IA de próxima generación: en escenarios donde los sistemas de IA deben procesar grandes cantidades de datos, la tecnología de interconexión de alta densidad es clave para una gestión eficiente.

Al integrar guías de onda de vidrio, se puede construir un sistema óptico completo en el mismo sustrato, lo que permite que los circuitos integrados fotónicos se comuniquen directamente a través de guías de onda ópticas. Este proceso elimina la necesidad de interconexiones de fibra óptica y mejora significativamente el ancho de banda y la cobertura de la comunicación entre chips. En sistemas de alta densidad con numerosos componentes interconectados, el uso de guías de onda de vidrio puede lograr una menor pérdida de señal, una mayor densidad de ancho de banda y una mayor durabilidad en comparación con las fibras ópticas discretas. Estas ventajas hacen que las guías de onda de vidrio sean una opción ideal para sistemas de interconexión óptica de alto rendimiento.

La aplicación de la tecnología CPO a los centros de datos de próxima generación y a las redes de supercomputadoras de IA puede aumentar el ancho de banda de escape de chips, abriendo nuevas posibilidades para conmutadores de alta velocidad y alto radix de 102T y superiores. Los arquitectos de red ahora tienen una oportunidad única para reimaginar y rediseñar las arquitecturas de red. Gracias al aumento del ancho de banda y a las arquitecturas de red simplificadas, lograrán un rendimiento de red superior, impulsando mejoras en la eficiencia operativa y la optimización de procesos.

Conclusión
La tecnología CPO tiene el potencial de revolucionar la arquitectura de interconexión de IA en múltiples niveles. Puede reducir significativamente el consumo de energía y mejorar la sostenibilidad, haciendo que los sistemas de IA sean más respetuosos con el medio ambiente y rentables. Además, CPO mejora la eficiencia y la escalabilidad de los sistemas de IA, lo que les permite manejar fácilmente tareas más grandes y complejas. Al abordar los problemas de densidad, CPO puede aumentar las velocidades de transmisión de datos, lo que garantiza una comunicación más rápida y confiable entre los componentes de IA. Esto también ayudará a reducir los cuellos de botella en los futuros sistemas de IA, lo que garantizará un funcionamiento del sistema más fluido y eficiente.

Se espera que las futuras interconexiones de IA introduzcan enlaces ópticos directos, eliminando la necesidad de conmutadores informáticos. Esta innovación ampliará el ancho de banda para las tareas de IA y mejorará la velocidad y la eficiencia del procesamiento de grandes conjuntos de datos. El vidrio, con sus capacidades superiores de transmisión de datos y escalabilidad, es un material ideal para permitir estos avances tecnológicos. Los enlaces ópticos basados en vidrio se convertirán en un habilitador crítico para los sistemas de IA de próxima generación, formando una infraestructura indispensable para la computación de alto rendimiento y las aplicaciones de IA avanzadas.
NEW LIGHT OPTICS TECHNOLOGY LIMITED se esforzará por aprovechar cada oportunidad y contribuir.