Was ist Photonik-Elektronik-Konvergenz?

Techniken und Ansatz, optische und elektronische Schaltungen sehr nah beieinander oder als Einheit zu integrieren und elektrische Verdrahtung durch Licht zu ersetzen. Ziel ist es, optische Verbindungen von der Strecke zwischen Geräten auf die zwischen Platinen und zwischen Chips auszudehnen und den Stromverbrauch zu senken. Der Begriff wird vor allem in Japan verwendet.

Japanische Bezeichnung: 光電融合

„Photonik-Elektronik-Konvergenz“ kommt in 2 Übungsfragen aus 2 Themen vor, z. B. Verbindungshalbleiter, Fortgeschrittene Technologien (3D-Integration, Chiplets).

Fachgebiet: Siliziumphotonik

Warum Optik nah an die Elektronik rückt

Elektrische Verdrahtung verliert mehr, je schneller die Signale und je länger die Strecken werden, und die ausgleichenden Schaltungen verbrauchen Energie. Die Verluste in einer Glasfaser oder einem Wellenleiter sind auf Rechenzentrumsentfernungen nahezu unabhängig von der Länge, und Wellenlängenmultiplex bringt viele Signale auf eine Faser. Andererseits erfordert das optische Senden von Daten eine elektrisch-optische Wandlung, die ebenfalls Energie kostet. Die Photonik-Elektronik-Konvergenz rückt optische Komponenten direkt neben elektronische Schaltungen, um lange elektrische Leitungen zu vermeiden und die Wandlungsleistung zu senken, und verkürzt so die Entfernung, ab der Optik die bessere Wahl ist.

Optik auf immer kürzeren Strecken

Optische Verbindungen haben sich von der Langstreckenkommunikation auf Verbindungen zwischen Geräten in einem Rechenzentrum und zwischen Platinen in einem Rack ausgebreitet. Die nächsten Schritte sind Co-Packaged Optics (CPO), bei der optische Transceiver im selben Gehäuse wie ein Switch-IC sitzen, und optische I/O nahe am Chip, die Chips direkt mit Licht verbinden. Im Rahmen seiner IOWN-Initiative hat NTT einen Plan vorgestellt, mit Bauelementen der Photonik-Elektronik-Konvergenz optische Verbindungen schrittweise von der Strecke zwischen Rechenzentren auf die zwischen Platinen, zwischen Chips und schließlich innerhalb von Chips auszudehnen (Stand Mitte der 2020er-Jahre).

Grundlegende Techniken

Im Zentrum steht die Siliziumphotonik, die optische Wellenleiter, Modulatoren und Photodetektoren mit derselben Fertigungstechnik wie CMOS integriert. Da Silizium schlecht Licht emittiert, werden Laser aus Verbindungshalbleitern wie InP aufgebondet, oder Licht wird von außen zugeführt. Unverzichtbar sind auch das Stapeln optischer Chips mit elektronischen Chips wie Treibern und TIAs für kurze Verbindungen sowie Montagetechnik, die viele Fasern hochpräzise ankoppelt.

Herausforderungen

Optische Komponenten sind temperaturempfindlich und müssen neben heißen Prozessoren stabil gehalten werden. Die Zuverlässigkeit der Laser, das Testen nicht austauschbarer Teile vor der Montage sowie Kosten und Ausbeute der Faserankopplung sind weitere Themen. Solange die elektrisch-optische Wandlung nicht effizient genug ist, bleibt elektrische Verdrahtung über sehr kurze Strecken überlegen. Wie weit Optik Leitungen ersetzen kann, hängt von Fortschritten bei Wandlungseffizienz und Packaging-Kosten ab.

Jetzt üben: Fragen zu Photonik-Elektronik-Konvergenz

Warum werden in der Siliziumphotonik Verbindungshalbleiter als Laserlichtquelle kombiniert?

AWeil Silizium überhaupt kein Licht durchlässt
BWeil Verbindungshalbleiter stets billiger sind
CWeil Silizium einen indirekten Bandübergang hat und nicht effizient Licht emittieren kann

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Antwort: C. Weil Silizium einen indirekten Bandübergang hat und nicht effizient Licht emittieren kann

In Silizium lassen sich Wellenleiter, Modulatoren und Photodetektoren mit Germanium in CMOS-Fabriken präzise und in großen Stückzahlen herstellen; wegen des indirekten Bandübergangs ist Silizium jedoch keine effiziente Lichtquelle. Deshalb werden Laser auf InP-Basis u. Ä. auf den Siliziumwafer gebondet (heterogene Integration) oder als separater Chip kombiniert und als Lichtquelle verwendet. Als Technik für optische Verbindungen in KI-Rechenzentren entwickelt sich die optisch-elektronische Konvergenz rasch.

Wie heißt die Technik, bei der Switch-ICs und optische Sende-/Empfangskomponenten dicht beieinander im selben Gehäuse montiert werden, um die elektrischen Leitungen zu verkürzen und die Leistungsaufnahme zu senken?

ACo-Packaged Optics (CPO)
BBGA
CQFP

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Antwort: A. Co-Packaged Optics (CPO)

In Rechenzentren wird mit wachsendem Datenverkehr die Leistungsaufnahme für die elektrische Signalübertragung vom Switch-IC zum optischen Modul an der Frontseite zum Problem. Bei CPO werden die optischen Sende-/Empfangskomponenten im selben Gehäuse wie der Switch-IC angeordnet, die elektrische Übertragungsstrecke auf wenige mm verkürzt und so Leistungsaufnahme und Signalverschlechterung verringert. CPO ist eine der Techniken der Photonik-Elektronik-Konvergenz. BGA und QFP sind gewöhnliche Gehäuseformen.

Häufige Fragen

Was ist der Unterschied zwischen Photonik-Elektronik-Konvergenz und Siliziumphotonik?

Siliziumphotonik ist die Technik, optische Schaltungen mit Fertigungsprozessen für Silizium herzustellen. Photonik-Elektronik-Konvergenz bezeichnet den umfassenderen Ansatz, solche Techniken zu nutzen, um optische und elektronische Schaltungen eng zu kombinieren und elektrische Verdrahtung durch Licht zu ersetzen.

Wie hängt sie mit CPO zusammen?

CPO, das optische Transceiver im selben Gehäuse wie ein Switch-IC unterbringt und den elektrischen Pfad auf wenige Millimeter verkürzt, ist eine typische Form der Photonik-Elektronik-Konvergenz. Spätere Schritte zielen darauf, Verbindungen zwischen und innerhalb von Chips optisch zu machen.

Wie heißt sie auf Englisch?

Der Begriff wird vor allem in Japan verwendet; NTT schreibt ihn auf Englisch als Photonics-Electronics Convergence (PEC). Im englischsprachigen Raum werden ähnliche Arbeiten oft mit konkreten Technologienamen wie Co-Packaged Optics oder optische I/O beschrieben.

„Photonik-Elektronik-Konvergenz“ in den Erläuterungen

Als Technik für optische Verbindungen in KI-Rechenzentren entwickelt sich die optisch-elektronische Konvergenz rasch.
Warum werden in der Siliziumphotonik Verbindungshalbleiter …
CPO ist eine der Techniken der Photonik-Elektronik-Konvergenz.
Wie heißt die Technik, bei der Switch-ICs und optische Send…