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Bereits seit mehr als einem Jahrzehnt spricht Intel über Silicon Photonics, daran geforscht wird schon länger. Seit einigen Jahren verkauft Intel auch Netzwerkadapter in Form von QSFP-Modulen, die im Hinblick auf die Transmitter-Technik auf Silicon Photonics setzen.
Doch in Zukunft soll die Übertragung von Daten per Lichtwellenleiter nicht mehr nur über Strecken mit einer Länge von Metern oder Kilometern erfolgen, sondern auch zur Chip-zu-Chip-Kommunikation verwendet werden. Einn erster Schritt soll aber eine Alternativ-Umsetzung für beispielsweise PCI-Express sein. Ein wichtiger Vorteil in der Kommunikation via Lichtwellenleiter ist die Effizienz im Hinblick auf den Energieverbrauch. Schaut man sich den Anteil der Leistungsaufnahme im Datentransfer bzw. der I/O-Leistung in aktuellen Prozessoren, GPU-Beschleunigern, AI-Systemen und Supercomputern an, dann erreicht diese bereits einen Anteil von 30 bis 40 %. Auf der anderen Seite bedeutet dies, dass nur noch 60 % für die eigentlichen Recheneinheiten zur Verfügung stehen.
Dies hat aber nicht nur Intel erkannt, sondern Interconnect-Techniken, aktuell noch auf Basis direkter Kupfer-Verbindungen, stehen bei allen Halbleiterfirmen ganz oben auf der Liste. EMIB, FOVEROS (beides von Intel), CoWoS und SoIC in diversen Varianten von TSMC sind die entsprechenden Gegenstücke. Bei GlobalFoundries hat man mit GF Fotonix ebenfalls einen eigenen Entwicklungszweig aufgestellt.
Zur ISC 2022 präsentierte Intel einige weitere Details zum Optical-I/O-Tile, der in zukünftigen XPUs (spezielle Beschleuniger, die als X86- und Xe-Bausteinen bestehen) eingesetzt werden sollen. Ein solcher Optical-I/O-Tile (OCI) besteht ebenfalls wiederum aus mehreren Chips. Einmal dem "Photonic Integrated Circuit" (PIC), der die optischen Komponenten enthält und einmal dem "Electrical Integrated Circuit" (EIC), der die optischen Komponenten mittels CMOS-Bauteilen sozusagen kompatibel zum Chip macht.
Die optischen Komponenten im PIC sind zunächst einmal der Laser, der mehrere Wellenlängen bereitstellen kann, optische Verstärker, Ring-Modulatoren und Fotodetektoren. Mit diesen sind die Sende- und Empfangskomponenten im Silicon-Photonics-Bereich abzudecken.
Um ein Signal zu erzeugen und übertragen zu können, bedarf es eines Signalgebers, der ein Trägersignal erzeugt, auf dem dann die eigentlichen Informationen moduliert werden. Im Falle von Silicon Photonics sind die Lichtwellen in einem Wellenlängenbereich von 190 bis 200 THz. Ein DFB Quantum Cascade Laser Array erzeugt im Falle der aktuellen Ausbaustufe von Silicon Photonics bei Intel acht Trägerwellen, die um 200 GHz voneinander getrennt erzeugt und letztendlich für die eigentliche Übertragung genutzt werden.
Um diese geringen Unterschiede in diesem Frequenzbereich erzeugen zu können, weisen die Kanäle im Laser einen Unterschied von gerade einmal 0,2 nm auf. Das von Intel gezeigte Bild (oben rechts) zeigt den Bereich des Silicon-Photonics-Chips, in dem die acht Trägerwellen erzeugt werden. Dieser Bereich ist mit 1,5 x 1,5 mm Fläche für einen Chip vergleichsweise groß, allerdings können die Komponenten für die Erzeugung und Detektion von Lichtwellen nicht mehr mit dem verglichen werden, was wir von den Transistoren kennen. Auf eine solche Fläche würden mehr als 100 Millionen Transistoren in aktueller Fertigung passen.
Die Fertigung der Photonic Integrated Circuit findet in einem Werk von Intel in New Mexiko statt. Hier werden die entsprechenden Bauteile auf 300-mm-Wafern belichtet und es kommen ultraviolette Laser mit einer Wellenlänge von 193 nm zum Einsatz – DUV-Standard für die Belichtung von Halbleitern. Der Electrical Integrated Circuit wird in 28 oder 22 nm gefertigt, also nicht den neuesten Prozessen, wie sie für die Prozessoren zum Einsatz kommen.
Letztendlich kann Intel mit der gewählten Vorgehensweise die gesteckten Ziele in der Übertragungsqualität einhalten. Die einzelnen Kanäle haben einen Abstand von 200 GHz (+/- 13 GHz) zueinander und halten diesen auch über die physikalisch unabwendbare Temperaturdrift ein. Das Verhältnis aus notwendiger Chip-Temperatur, die durch eine übliche Kühlung gewährleistet wird, und der Leistungsaufnahme passt ebenfalls in den zuvor definierten Zielbereich.
Der letzte Schritt fehlt noch
Während Lichtwellenleiter seit nunmal schon Jahrzehnten in der Netzwerkkommunikation zum Einsatz kommen, kommt die Integration der Technik direkt in der Halbleiter nur schleppen voran. Wie bereits Anfangs angemerkt, arbeitet Intel seit mindestens einem Jahrzehnt daran und hat eine finale Umsetzung in Form des Optical-I/O-Tile ins aktuelle Jahr 2022 verzögern müssen.
Bald aber soll es soweit sein. Ob schon 2023 die ersten XPUs mit einem Optical-I/O-Tile ausgestattet werden können, wollte Intel weder bestätigen noch dementieren. Silicon Photonics wird als Netzwerk-Technologie tiefer in das Chipdesign integrierte werden. Darüber hinaus aber hat die Technik das Potential eine Alternative zu PCI-Express zu werden. Ein PCI-Express 6.0 mit acht Lanes soll eine Übertragungsrate von 60,235 GB/s erreichen. Intel gibt 1 TBit/s pro Wellenlänge an. Bei acht Kanälen lägen wir hier bei 1.000 GB/s an Übertragungsrate. Zudem sollen Verbindungen über Silicon Photonics in dieser Umsetzung bis zu 100 m und mehr überbrücken können, was über PCI-Express natürlich nicht möglich ist. Ein weiterer Vorteil ist die hohe Integrationsdichte. Ein physikalisches Interface (PHY) für PCI-Express 6.0 ist um den Faktor vier größer. PCI-Express 4.0 kommt auf eine Übertragungseffizienz von etwa 7,5 pJ/Bit, beim Optical-I/O-Tile sollen es 3 pJ/Bit sein und auch bei den Latenzen bewegt sich Intel im Bereich von 10 ns und weniger.
Man ist hier also auf dem richtigen Weg, nur wird es dann auch irgendwann Zeit für eine konkrete Umsetzung. Dazu hat Intel noch nichts zu verkünden, aber womöglich wird es in den kommenden Monaten soweit sein.