Kısmen Avrupa Komisyonu’nun bağışlarıyla finanse edilen Belçika araştırma ve teknoloji kuruluşu (RTO) imec, yakın zamanda üreticiler tarafından veri ağlarını hızlandırmak için kullanılabilecek güçlü yeni kavramları gösteren çalışmayı tamamladı.
Araştırma projesinin amacı maliyetleri azaltmak, verimi artırmak ve güç tüketimini azaltmaktı. Artık çalışmanın meyvelerinin kısa mesafelerde veri merkezlerini hızlandırmak için, ardından daha uzun mesafelerde 5G ile ilgili uygulamalar için kullanılması bekleniyor.
İnternet teknolojisi ve veri bilimi laboratuvarındaki (IDLab) araştırmacılardan oluşan bir ekip, 2-6 Ekim haftasında Glasgow’daki Avrupa Optik İletişim Konferansı’nda (ECOC) brüt 200 Gbps veri hızına ulaşan prototip optik alıcılarını sundu. 2023. IDLab, Belçika’daki Ghent Üniversitesi’ndeki imec araştırma grubunun bir parçasıdır.
Bu yeni yaklaşım yalnızca son derece hızlı değil, aynı zamanda son derece ölçeklenebilir. Hız ve ölçeklenebilirlik, performansa aç uygulamaların artan gereksinimlerini karşılamak için kullanılan herhangi bir teknoloji için iki temel ön koşuldur. Yeni optik alıcı, hareketli dalga SiGe Bi-Tamamlayıcı metal oksit yarı iletken (BiCMOS) transempedans amplifikatörünü silikon fotonik Ge fotodetektörle birlikte entegre ederek çalışır.
IDLab’da yüksek hızlı alıcı-vericiler program yöneticisi Peter Ossieur, “Ana akım SiGe BiCMOS’un kullanımı teknolojiyi daha ölçeklenebilir hale getiriyor ve bu da onu daha uygun fiyatlı hale getiriyor” dedi. “Üreticiler daha fazla özelliği entegre edebilir ve aynı zamanda daha yüksek hacimde çip üretebilir.”
Hız neden bu kadar önemli?
Yapay zeka, bulut bilişim ve 5G gibi modern uygulamalar büyük miktarda veri tüketiyor ve bu verileri giderek artan hızlarda işlemesi gerekiyor. İşleme gücü şaşırtıcı oranlarda artmaya devam ederken, bu evrim tek başına hiçbir zaman talebe yetişemeyecek.
Belirli uygulamaların gereksinimlerini karşılamak için özel çipler geliştirilse de birçok algoritma, bir veri merkezindeki farklı bilgi işlem ve depolama öğeleri arasındaki hızlı veri alışverişine dayanır.
Giderek daha yüksek düzeyde performans sunan optik iletişim ağları, çözümün büyük bir bölümünü oluşturuyor. Optik teknoloji halihazırda neredeyse tüm veri merkezlerinde iletişimin omurgasını sağlıyor. Ancak optik teknolojinin bazı eksiklikleri geliştirme süresi, maliyet ve güç tüketimidir.
Ossieur, “Günümüzde en yüksek performanslı optik datacom alıcı-vericileri, toplam 800 Gbps veri hızı için her biri 100 Gbps taşıyan sekiz kanal kullanıyor” diye açıkladı.
“İnovasyonumuz kanal kapasitesini ikiye katlayarak 200 Gbps’ye çıkarıyor; bu da üreticilerin aynı veri hızını korurken kanal sayısını azaltmasına olanak tanıyor. Bu, üretim verimini artırmak ve birim maliyetleri düşürmek için alıcı-verici karmaşıklığının azaltılabileceği anlamına gelir. Diğer bir avantaj ise güç tüketiminin de azalmasıdır.”
Daha hızlı ağlar vaat eden bir araştırma kültürü
Ossieur, “Alıcı-vericiye bir bütün olarak bakıyoruz; fotonik ön uç ve elektronik parçalardan CMOS hız çipine kadar ve yenilik getirebileceğimiz yollar arıyoruz” dedi. “Amacımız endüstri tarafından lisanslanabilecek fikri mülkiyet geliştirmektir.”
“Araştırmamız, fotonik entegre devrelerle yakın işbirliği içinde geliştirilen elektronik üzerine odaklanıyor ve bu kombinasyon, sonuç elde etmemizi sağlayan şeydi” diye ekledi. “Gösterici, ekibimizde geliştirdiğimiz elektronikleri imec’teki diğer ekiplerin fotonikleriyle birleştiriyor.”
Imec, çok sayıda farklı optik platforma sahiptir ve şirket içi 200mm ve 300mm CMOS pilot hatlarında levha ölçeğinde kendi optik cihazlarını üretmektedir. Bunlar arasında ışık modülasyonu, anahtarlama, birleştirme, filtreleme ve algılama dahil olmak üzere çeşitli uygulamalar için 50 GB’nin üzerinde çalışan yüksek performanslı cihazlar yer alıyor.
Üretim araştırma amaçlı olarak düşük hacimdedir. Ancak araştırma organizasyonu, üreticiler tarafından lisanslanıp özelleştirilebilen cihaz bileşenleri, tasarımlar ve yazılımlardan oluşan bir depo bulundurarak her zaman endüstri hakkında fikir sahibi olmaya devam ediyor.
Ossieur, “Geliştirdiğimiz prototip için ana odak noktası SiGe BiCMOS elektroniğiydi” dedi. “Geçici dalga yaklaşımını kullanarak, kanal başına 200 Gbps’ye ihtiyaç duyan cihazların özelliklerini karşılayabileceğimizi gösterdik. Bu bir prototip çip. Müşteriler, bağlantı mesafelerinin çok daha uzun olduğu tutarlı alıcı-vericiler için potansiyel kullanımla birlikte, veri merkezleri içindeki kısa erişimli ara bağlantı için temel teknolojiyi lisanslayabilirler.
imec optik I/O üyesi ve program direktörü Joris Van Campenhout’a göre yeni optik alıcı, imec’in silikon fotonik platformlarını daha zorlu uygulamalara hazırlamak için yaptığı pek çok şeyden sadece biri.
“Bu son sonuçlar, imec’in silikon fotonik platformunun kapasitesini gösteren bir veri noktasını daha temsil ediyor [iSiPP] gelecekteki takılabilir ve birlikte paketlenmiş optikler için temel bir gereklilik olan 200 Gbps’lik şerit hızlarında çalışmak” dedi.
Gelecek vaat eden bir diğer araştırma alanı ise programlanabilir fotonik çiplerdir. Fotonik, verileri çok hızlı bir şekilde taşımak için ideal bir ortam sağlarken, yeni fotonik entegre çiplerin geliştirilmesi yavaş ve maliyetli bir süreçtir.
imec’teki araştırmacılar, farklı uygulamalara hizmet edecek şekilde yeniden yapılandırılabilen düşük güçlü yapı taşları geliştirmek ve fotonik çipleri yeniden kullanılabilir hale getirmek için mikroelektromekanik sistemler (MEMS) ve sıvı kristal bazlı çözümler kullanıyor. Bu teknikler, biyoalgılama da dahil olmak üzere yüksek performanslı bilgi işlemin ötesinde çeşitli endüstrilerdeki uygulamaların sunulmasına yardımcı olabilir.
Son olarak imec aynı zamanda hızlı ağ uygulamaları için kablolu veri dönüştürücüler üzerinde de çalışıyor. Bu dönüştürücüler yüksek ölçekli CMOS’ta çok yüksek hızda çalışır. Araştırmacılar 5 nm (nanometre) CMOS’ta prototipler tasarlıyor ve önümüzdeki yıl 3 nm CMOS üzerinde çalışmaya başlamayı planlıyor.