لماذانيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة فجأةهل أصبحت مشهورًا جدًا؟

منذ وقت ليس ببعيد، صرح الرئيس التنفيذي لشركة NVIDIA Jensen Huang أن الجيل القادم من الذكاء الاصطناعيبنية تحتيةسوفيتطلبأجَسِيم كميةمن الوصلات الضوئية، كمانحاس الكابلاتلم تعد قادرة على تلبيةيطلب.

هذا ليس كلام مثير للقلق.

نحن ندخل عالم النور

معسريع تطويرتكنولوجيا المعلومات،عالمي بياناتحركة المرور هيتزايدأضعافا مضاعفة، ويطلبللحصول على معلوماتسعةويعالج القدرةيستمر ليعلو. يقودهاالناشئةتقنيات مثل اتصالات 5G وإنترنت الأشياء والسحابةالحوسبة، كبيربياناتوالذكاء الاصطناعي التقليديإلكترونيأنظمة الاتصالات هيعلى نحو متزايدمواجهة اختناقات عرض النطاق الترددي والطاقة العاليةاستهلاكالتحديات.

تكنولوجيا الاتصالات الضوئية، مع مميزاتها ذات النطاق الترددي العالي والمنخفضخسارة، والحصانة الكهرومغناطيسيةتدخل، أصبح الحل الرئيسي لهذه التحديات.

الأساسيالسبب وراء الجيل القادم من الذكاء الاصطناعيبنية تحتيةيجبيعتمدبشكل كبير على الوصلات الضوئية هو أن "جدار الترابط" قد حل محلهالحوسبةالسلطة باعتبارها أكبر عنق الزجاجة. نظرًا لأن مجموعات وحدات معالجة الرسومات تتسع لعشرات الآلاف أو حتى مئات الآلاف من البطاقات،قناة بياناتالأسعار هيتتحرك نحو224 جرام. على المستوى الجسديطبقة,نحاس الكابلاتيضربونحدود فرضتبواسطةجلدتأثير وعازلخسارة,ضغطهُمفعال الانتقال مسافةإلى أقل من 2 متر. وهذا يجعلهم غير قادرين على تلبية النطاق التدريجيمتطلباتعيرالخادم رفوف.

وفي الوقت نفسه، يمكن لجميع الوصلات الضوئيةيقللقوةاستهلاك لكلعرض النطاق الترددي للوحدة بأكثر من 40%، مما يجعلها واحدة من أكثرهاواعدةطرق حلطاقة-كفاءة مصيبةفي مصانع الذكاء الاصطناعي.

نيوبات الليثيوم: المادة التي انتظرتعقودمن أجل لحظتها

تعتبر المعدِّلات الكهروضوئية، أو EOMs، أمرًا أساسيًاعناصرفي أنظمة الاتصالات البصرية. هُمرئيسيالوظيفة هييتحولوتعديلكهربائي إشاراتإلى البصريةإشارات. أدائهممباشرة يؤثرالالانتقالالسرعة والقوةاستهلاك,إشارةالجودة، واستقرارالتابعكاملنظام الاتصالات.

إجماليهيكل نظام اتصالات الألياف الضوئية

نيوبات الليثيوم، أو LiNbO₃، هي مادة كهروضوئية مهمة. بفضل تأثيره الكهروضوئي الممتاز، ومؤشر انكساره المرتفع نسبيًا الذي يبلغ حوالي 2.2، ونافذة الشفافية الواسعة من حوالي 350 نانومتر إلى 5 ميكرومتر، والاستقرار الكيميائي القوي، فقد تم اعتباره منذ فترة طويلة في مجتمع الضوئيات على أنه "سيليكون بصري". منذ ستينيات القرن العشرين، تم استخدام نيوبات الليثيوم على نطاق واسع في المعدِّلات الكهربائية الضوئية.

ومع ذلك، على الرغم من أن نيوبات الليثيوم لا غنى عنه على مستوى النظام، إلا أنه تم إهماله إلى حد كبير لما يقرب من ثلاثة عقود خلال موجة التكامل على مستوى الرقاقة.

ويكمن السبب في القيود المفروضة على معدّلات نيوبات الليثيوم السائبة التقليدية. تقوم هذه الأجهزة بتعديل الإشارات الضوئية باستخدام مجال كهربائي للتحكم في مرحلة الضوء أو شدته. ومع ذلك، نظرًا للخصائص الفيزيائية للمادة والقيود المفروضة على تقنيات المعالجة التقليدية، فإن الأدلة الموجية لنيوبات الليثيوم السائبة عادةً ما تكون بمقياس ملليمتر إلى سنتيمتر. وهذا يحد من كفاءة التفاعل بين المجال البصري والمجال الكهربائي، مما يعني أن التعديل الفعال يتطلب في كثير من الأحيان جهود تشغيل عالية تتراوح من عدة فولت إلى عشرات فولت.

بالإضافة إلى ذلك، فإن حجم الجهاز الكبير يجعل من الصعب التكامل مع منصات الضوئيات السيليكونية، مما يحد من تطبيقه في الأنظمة الإلكترونية الضوئية على مستوى الرقاقة. تؤدي طرق المعالجة التقليدية أيضًا إلى خسارة عالية نسبيًا في إرسال الدليل الموجي، مما يحد من كفاءة الجهاز وأداء الإرسال لمسافات طويلة.

ونتيجة لذلك، بدأت منصات مثل ضوئيات السيليكون، وInP، وSiN في الارتفاع بسرعة، في حين كان يُنظر إلى نيوبات الليثيوم في السابق على أنها مادة ذات أداء ممتاز ولكن قابلية التوسع ضعيفة وكثافة تكامل منخفضة.

وصلت تكنولوجيا الأغشية الرقيقة تمامًا كما احتاجتها الصناعة

جاءت نقطة التحول مع نضوج تقنية نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة، أو TFLN.

يعتمد نيوبات الليثيوم ذو الأغشية الرقيقة على بنية غير متجانسة "نيوبات الليثيوم - عازل - ركيزة". من خلال تقنيات التصنيع المتقدمة مثل تقطيع الأيونات البلورية والتلميع الميكانيكي الكيميائي، يمكن فصل الأغشية الرقيقة من نيوبات الليثيوم أحادية البلورة عن المواد السائبة ونقلها إلى ركائز مثل السيليكون أو الياقوت أو ثاني أكسيد السيليكون.

بالمقارنة مع نيوبات الليثيوم السائبة، فإن نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة تمكن هياكل الدليل الموجي على نطاق دون الميكرون مع حبس بصري أقوى بكثير. يؤدي هذا إلى تعزيز كفاءة التفاعل بين المجالات الضوئية والكهربائية بشكل كبير، غالبًا بعشرات المرات، وبالتالي تقليل جهد القيادة بشكل كبير وتقليص حجم الجهاز.

بالإضافة إلى ذلك، فإن فقدان النقل المنخفض لطبقة نيوبات الليثيوم الرقيقة يمنحها مزايا فريدة في الدوائر المتكاملة الضوئية لمسافات طويلة. كما يوفر توافقه مع المنصات القائمة على السيليكون طريقًا جديدًا للضوئيات المتكاملة غير المتجانسة.

طبقة رقيقة أحادية البلورة من نيوبات الليثيوم، المصدر: Jinan Jingzheng Electronics Co., Ltd.

إن اكتساب التكنولوجيا شعبية يعتمد جزئيًا على مدى جودتها، وجزئيًا على ما إذا كان العصر يمنحها الطلب المناسب على التطبيقات.

وبالنظر إلى العديد من مؤشرات الأداء الرئيسية، يصبح من الواضح سبب اعتماد TFLN بقوة في عصر 1.6T و3.2T:

1. عرض النطاق الترددي:يتجاوز بسهولة 100 جيجا هرتز ويتجه نحو 200 جيجا هرتز.
2. استهلاك الطاقة:فقط عشرات الفيمتوجول لكل بت.
3. جودة الإشارة:فقدان إدخال منخفض، وزقزقة منخفضة للغاية، وخطية ممتازة.
4. براعة:يمكن لمنصة واحدة أن تدعم الوظائف الضوئية الكهروضوئية، وغير الخطية، والكمية.

ومن منظور الطلب الصناعي، تنمو قوة حوسبة الذكاء الاصطناعي بشكل هائل. تتم ترقية الوصلات البينية الضوئية لمراكز البيانات بسرعة من 400 جيجا بايت إلى 800 جيجا بايت و1.6 جيجا بايت وحتى 3.2 جيجا بايت. هذا هو بالضبط نوع العصر الذي تم من أجله تصنيع نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة.

لنأخذ على سبيل المثال البصريات المجمعة بشكل مشترك، أو CPO، التي نوقشت اليوم بشكل كبير. يقوم CPO بنقل المحرك البصري من الوحدة القابلة للتوصيل باللوحة الأمامية مباشرة إلى نفس ركيزة الحزمة مثل شريحة التبديل أو ASIC. بعد أن أخذت NVIDIA زمام المبادرة في حلول CPO ذات الإنتاج الضخم لسلسلة Spectrum-X وQuantum، كانت النتائج المقاسة مذهلة: انخفض فقدان الإدخال من حوالي 22 ديسيبل إلى حوالي 4 ديسيبل، وتحسنت سلامة الإشارة بحوالي 63 مرة، وزادت كفاءة الطاقة الضوئية للنظام بما يصل إلى 5 مرات.

ومع ذلك، فإن CPO ليس مجرد مسألة "نقل" الوحدات الضوئية الموجودة إلى موقع جديد. يتم تقليل حجم العبوة بشكل كبير، ويتم تقليل ميزانية الطاقة إلى أقصى الحدود، وتصبح الظروف الحرارية أكثر قسوة، وتصبح البيئة الكهربائية متطلبة للغاية. يتم دفع كل مكون داخل المحرك البصري نحو حدوده المادية.

وفي ظل هذه القيود الجديدة، وصلت أغشية نيوبات الليثيوم الرقيقة في الوقت المناسب تمامًا. لقد تطورت من "معيار الأداء" إلى "ضرورة هندسية".

وبعبارة أخرى، أصبحت نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة شائعة ليس فقط لأنها أصبحت أرق، ولكن لأن البنية التحتية لحوسبة الذكاء الاصطناعي وصلت أخيرا إلى المستوى الذي تحتاج فيه إلى TFLN كتقنية هيكلية حاملة.

ولهذا السبب نرى NVIDIA تستثمر 4 مليارات دولار أمريكي في شركات مثل Coherent وLumentum، وهما شركتان تمثلان معًا حوالي 80% من السوق العالمية لمعدِّلات نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة المتطورة.