Das Potenzial von Co-Packaged Optics und optischen Wellenleitersubstraten Der Sprung zur Fiber-to-the-Chip-Technologie

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CPO hat das Potenzial, die Architektur von KI-Systemen grundlegend zu verändern: durch effizienteren Stromverbrauch, größere Skalierbarkeit, höhere Verbindungsdichte, schnellere Übertragung und die Reduktion von Engpässen. Perspektivisch spielen direkte optische Verbindungen und damit Glas als Trägermaterial die Hauptrollen.

Netzwerke in Rechenzentren entwickeln sich rasant weiter – ein Prozess, der durch den Aufstieg der künstlichen Intelligenz (KI) und die verstärkte Nutzung von KI-Clustern zusätzlich beschleunigt wurde. Nvidia beispielsweise plant, in den nächsten fünf Jahren jährlich mehrere Millionen KI-optimierte GPU-Einheiten auszuliefern.

Für den Aufbau dieser Netzwerke werden jährlich mehrere zehn Millionen Transceiver benötigt, die Daten mit Höchstgeschwindigkeiten von 1,6 Terabit pro Sekunde (TBit/s) und 3,2 TBit/s übertragen. Branchenanalysten prognostizieren, dass die Zahl der Transceiver pro Grafikprozessor (GPU) künftig auf mehr als zehn pro Beschleuniger ansteigen könnte – ein etwa zehnfacher Anstieg des Bedarfs an optischer Konnektivität im Vergleich zu heutigen Implementierungen.

Der Energieverbrauch dieser Systeme ist erheblich. Ein standardmäßiger, steckbarer Ethernet-Transceiver benötigt aktuell rund 20 Watt. Bei der nächsten Generation der Sende-/Empfängereinheiten dürfte sich der Stromverbrauch nahezu verdoppeln. Schon 2024 werden Transceiver weltweit etwa 200 Megawatt (MW) zusätzliche Leistung erfordern.

Co-Packaged Optics (CPO): Effizienzsteigerung durch Integration

Bei einem erwarteten zehnfachen Anstieg der optischen Konnektivität könnte der jährliche Energiebedarf für Transceiver auf bis zu 2 Gigawatt (GW) steigen, was der Leistung eines großen Kernkraftwerks entspricht. Dieser Wert schließt nicht den zusätzlichen Stromverbrauch für Host-seitige Elektronik ein, die erforderlich ist, um Daten von integrierten Schaltkreisen zum Frontplatten-Transceiver zu übertragen. Um diesen untragbaren Energiebedarf zu reduzieren, sind dringend neue Technologien und Ansätze erforderlich.

Co-Packaged Optics (CPO) gilt als die vielversprechendste Technologie, um den Energieverbrauch signifikant zu senken. Bei diesem Ansatz wird das elektro-optische Wandlermodul vom Frontplatten-Transceiver näher an die CPU oder GPU verlagert – idealerweise direkt auf das Substrat des Prozessorgehäuses. Dadurch werden elektrische Verluste durch Kupferleitungen minimiert, was eine deutlich Energie-effizientere Datenübertragung ermöglicht.

Diese Einsparungen resultieren nicht nur aus dem Wegfall verlustbehafteter Kupferleitungen, sondern auch aus der möglichen Vereinfachung oder Eliminierung des digitalen Signalprozessors (DSP), der üblicherweise zur Signalstabilisierung über längere elektrische Leitungen erforderlich ist. Ein weiterer Vorteil ist die geringere Latenz, da Signale in einem CPO-System weniger Vor- und Nachbearbeitung benötigen, um fehlerfrei übertragen zu werden. Somit bietet CPO eine Kombination aus hoher Übertragungsgeschwindigkeit, niedrigem Stromverbrauch und geringer Latenz – wesentliche Eigenschaften für moderne KI-Netzwerke.

Glas als Schlüsseltechnologie für die nächste Generation von CPO

Glas spielt eine zentrale Rolle in der Weiterentwicklung von Co-Packaged Optics. Um den elektro-optischen Wandler – häufig ein Silizium-Photonik-Chip – so nah wie möglich an die CPU oder GPU zu bringen, bedarf es neuer Aufbau- und Verbindungstechnologien. Diese müssen sowohl großflächige Substrate als auch optische Verbindungen zwischen den Chips ermöglichen.

Herkömmliche organische Substrate stoßen hier an ihre Grenzen, da sie aufgrund ihres höheren Wärme-Ausdehnungskoeffizienten nur begrenzt skalierbar sind. Glas hingegen kann mit einem optimierten Wärme-Ausdehnungskoeffizienten gefertigt werden, was größere und stabilere Substrate ermöglicht.

Zusätzlich bietet Glas hervorragende optische Eigenschaften. Es kann so behandelt werden, dass integrierte Lichtwellenleiter entstehen, die ähnlich wie Glasfasern Licht effizient übertragen und in Silizium-Photonik-Chips oder optische Fasern einkoppeln können. Dies macht Glas zu einem idealen Material für fortschrittliche CPO-Anwendungen.

Co-Packaged Optics: Zukunftsperspektiven

Die Kombination von elektrischen und optischen Verbindungen auf einem Glas-Substrat löst außerdem das Problem der Verbindungsdichte, das insbesondere beim Aufbau großer KI-Cluster relevant ist. Während herkömmliche Glasfaserverbindungen durch ihren Durchmesser von 127 Mikrometer (µm = ein Millionstel Meter) begrenzt sind, erlauben Glaswellenleiter eine deutlich höhere Wellenleiterdichte und damit deutlich mehr Ein- und Ausgangsleitungen.

Zudem könnten integrierte Glaswellenleiter komplette optische Systeme auf einem einzigen Substrat ermöglichen, bei denen photonische Schaltkreise direkt miteinander kommunizieren, ohne dass separate Glasfaserverbindungen erforderlich sind. Dies würde die Bandbreite der Chip-zu-Chip-Kommunikation erheblich erhöhen.

Eine kürzlich veröffentlichte Studie zu den Vorteilen von CPO in Rechenzentrums- und KI-Supercomputernetzwerken der nächsten Generation zeigt, dass die höhere Bandbreite von CPO den Bau von 112 TBps-Switches und darüber hinaus ermöglicht. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Netzwerkarchitektur, etwa durch vereinfachte und effizientere Netzwerke mit besserer Lokalisierung der Datenflüsse.

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