AI & computing › Neuromorfe & fotonische chips
Japanse chip haalt 200 Gb/s dankzij 'traag licht' voor AI-datacenters
Onderzoekers van de Yokohama National University in Japan hebben een piepklein siliciumchipje ontwikkeld dat data kan versturen met snelheden tot 200 gigabit per seconde. De chip gebruikt een truc met vertraagd licht in combinatie met een slimme elektrische schakeling om een bekend snelheidsprobleem te omzeilen. Dat kan AI-datacenters helpen om sneller en zuiniger data tussen chips uit te wisselen, iets wat steeds vaker de bottleneck vormt bij het trainen van AI-modellen.
AI-datacenters moeten enorme hoeveelheden data tussen chips verplaatsen. Dat gebeurt steeds vaker via licht in plaats van via elektrische signalen, omdat optische verbindingen sneller zijn en minder energie verspillen over lange afstanden. De schakel die elektrische signalen omzet in lichtsignalen heet een modulator. Bestaande siliciummodulators zijn echter meerdere millimeters groot en kennen een vervelend compromis: maak je ze efficiënter, dan worden ze trager. Precies dat probleem pakken de Japanse onderzoekers nu aan.
Licht vertragen om data sneller te versturen
De truc zit in een zogeheten fotonische kristalgolfgeleider: een nauwkeurig geprikt patroon van microscopisch kleine gaatjes in silicium, waardoor licht trager door de chip reist dan normaal. Die vertraging zorgt ervoor dat licht intensiever reageert op elektrische veranderingen. Daardoor kan een klein elektrisch signaal een relatief groot lichteffect veroorzaken, wat de modulator efficiënter maakt op een kleiner oppervlak. Het nadeel van dit zogeheten slow-light-effect is dat elektrische weerstand in het materiaal de reactiesnelheid van de chip beperkt, waardoor hij moeite heeft met snel wisselende signalen.
Om dat op te lossen bouwden de onderzoekers een elektro-optische equalizer in de chip: een soort ingebouwde correctieschakeling die de verschillende delen van het lichtsignaal op elkaar afstemt. Daardoor houdt de chip zijn prestaties ook bij hogere frequenties op peil. Met deze aanpassing steeg de bandbreedte van één ontwerp van 35 naar 80 gigahertz, en van een ander ontwerp van 23 naar 55 gigahertz.
Record snelheid in een microscopisch chipje
Het resultaat is indrukwekkend compact: de volledige modulator, inclusief equalizer, is maar 320 micrometer lang. Dat is tien tot vijftien keer kleiner dan de 2 tot 4 millimeter van gangbare siliciummodulators. Inclusief elektrodes neemt de chip slechts 0,4 vierkante millimeter in beslag. Het apparaat werd gemaakt met een standaard productieproces voor silicium-op-isolator-wafers van 300 millimeter, dezelfde chipfabrieken die ook gewone processorchips maken.
Met een eenvoudige signaalcorrectie aan de ontvangstkant haalde de chip al 140 gigabit per seconde met een basaal aan/uit-signaal, bij een energieverbruik van 26 femtojoule per bit — een femtojoule is een miljardste van een miljoenste joule. Door over te stappen op een geavanceerdere signaalcodering met vier niveaus (PAM-4) kwam de snelheid zonder extra digitale signaalverwerking al op 180 gigabit per seconde. Met de ingebouwde equalizer erbij steeg dat naar 200 gigabit per seconde, bij een verbruik van 63 femtojoule per bit.
De chip is nog niet perfect: het lichtsignaal verliest tijdens de doorgang relatief veel sterkte, tussen de 11,7 en 15,5 decibel. De onderzoekers compenseerden dit in hun experiment met een optische versterker, maar in de praktijk is verdere optimalisatie nodig. Ze willen de chip ook geschikt maken voor meerdere lichtgolflengtes tegelijk. Als dat lukt met 16 tot 32 kanalen, zou een gecombineerde capaciteit van 3,2 tot 6,4 terabit per seconde mogelijk zijn — al zijn dat vooralsnog projecties en geen gemeten resultaten. Het onderzoek is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Deze chip laat zien dat je met bestaande, goedkope productietechnieken toch de razendsnelle en zuinige datalinks kunt maken die AI-datacenters nodig hebben. Dat is belangrijk omdat de groeiende rekenkracht voor AI-modellen steeds vaker vastloopt op de snelheid waarmee chips onderling data kunnen uitwisselen, niet op de rekenkracht zelf. Als dit soort compacte modulators doorontwikkeld worden tot meerkanaals systemen, kunnen datacenters efficiënter en energiezuiniger groeien.
- Optische modulator
- Een onderdeel dat elektrische signalen omzet in lichtsignalen, zodat data via glasvezel of een lichtchip kan worden verstuurd.
- Fotonische kristalgolfgeleider
- Een nauwkeurig geprikt patroon van gaatjes in silicium dat licht door een chip leidt en kan vertragen.
- Slow-light-effect
- Het vertragen van licht in een chip, waardoor het sterker reageert op elektrische signalen en de modulator efficiënter werkt.
- Elektro-optische equalizer
- Een ingebouwde correctieschakeling die het lichtsignaal bijstuurt zodat de chip ook bij hoge snelheden goed blijft werken.
- Gigabit/Terabit per seconde
- Eenheden voor dataoverdrachtssnelheid; een terabit is duizend gigabit.
- PAM-4
- Een signaalcodering met vier spanningsniveaus in plaats van twee, waardoor in hetzelfde tijdsbestek meer data past.
- Femtojoule
- Een extreem kleine eenheid van energie, gelijk aan één biljoenste van een joule, gebruikt om het energieverbruik per verstuurde bit uit te drukken.
- Optische insertieverlies
- Het verlies aan lichtsterkte wanneer een lichtsignaal door een optisch onderdeel gaat, gemeten in decibel.
- Silicium-op-isolator (SOI)
- Een standaard chipproductieproces waarbij een dunne laag silicium op een isolerend materiaal wordt aangebracht, gangbaar in de chipindustrie.
- Co-packaged optics
- Een ontwerp waarbij optische verbindingen direct naast of in dezelfde behuizing als rekenchips worden geplaatst, om data sneller en zuiniger te verplaatsen.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
