Fotonik, chiplet sistemlerinde artık yalnızca bakır bağlantıların yerini almanın ve bant genişliğini artırmanın bir yolu değil. Fotonik yonga işlemciye yaklaştıkça sinyal mesafesi ve enerji tüketimi iyileşiyor; ancak buna karşılık sistemin ısıya, mekanik gerilime, elektromanyetik girişime ve doğrulama sorunlarına duyarlılığı artıyor. Bunun sonucunda ışığın paket içine entegre edilmesi; kalıbı, paketi, bağlantıları ve sistem içindeki iletişim ağını kapsayan ortak bir tasarım meselesine dönüşüyor.
Yarı iletken şirketleri şu anda entegre fotonik devreleri (PIC), yüksek performanslı işlemciler, ağ anahtarları ve bellek yongalarıyla birlikte aynı pakete yerleştirmeye, yani paket eşlikli optik (CPO) yönelimlerine ilerliyor. Fotonik chiplet mimarileri de yapay zekâ veri merkezlerinin ilk tasarımlarında görülmeye başladı. Kaynak, ilk prototiplerin, özel patentlerin ve ilk ticari tasarımların bulunmasının, teknolojinin araştırma alanından pratik kullanıma daha yakın bir aşamaya geçtiğini gösterdiğine işaret ediyor.
Çıkarılabilir bağlantılardan paket içi entegrasyona
TSMC, Compact Universal Photonic Engine olarak adlandırılan ve kısaca COUPE adıyla bilinen yapıyı, fotonik yongaların geniş ölçekte üretimi için açık bir çerçeve olarak sundu. Yapı, elektronik kontrol yongası (EIC) ile fotonik yongayı (PIC) bir altlık üzerinde yan yana yerleştirmek yerine, kontrol yongasının fotonik yonganın üzerinde bulunduğu dikey bir istiflemeye dayanıyor; geleneksel lehim topları yerine bakırdan bakıra hibrit bağlama kullanılıyor.
TSMC’ye göre bu düzenleme sinyal iletim mesafesini azaltıyor, parazitik elektrik direncini sıfıra yaklaşan bir düzeye indiriyor ve veri aktarımı enerji tüketimini %85’e kadar düşürebiliyor; ayrıca yüksek yoğunluklu yapay zekâ kümesi sunucularında alan kullanımını iyileştiriyor. Ancak bu elektriksel kazanımlar, sıcak kontrol devrelerini ısıya duyarlı optik bileşenlerin çok yakınına yerleştiriyor ve yakınlık avantajını yeni bir karmaşıklık kaynağına dönüştürüyor.
2.5D tasarımlarda işlemci, bellek, elektronik arayüz ve fotonik yongalar; silikon bir interposer, organik bir altlık veya gelişmiş bir yeniden dağıtım katmanı üzerinde yan yana yerleştiriliyor. Bu yaklaşım daha olgun ve daha düşük riskli kabul ediliyor; ayrıca fotonik yonganın farklı işlemci kalıplarıyla yeniden kullanılmasına olanak tanıyor. Bununla birlikte EIC ile PIC arasındaki bağlantının uzunluğu, modülatörlerin çalışma hızını sınırlayan parazitik kapasitans ve endüktans ekliyor.
Öte yandan hibrit bağlama veya mikro bağlantılar kullanan üç boyutlu istifleme, sürücü devreleri, modülatörler ve fotodetektörler arasındaki elektriksel bağlantıyı milimetrelerden mikrometrelere kısaltıyor. Bu, daha yüksek baud hızları, daha düşük sürüş gerilimi ve bit başına daha düşük enerji sağlıyor; ancak termal ve mekanik tasarımı zorlaştırıyor. Intel, TSMC, Ayar Labs ve Broadcom gibi kuruluşların paket eşlikli optik yol haritası bu yönde ilerliyor.
Isı yalnızca bir performans sorunu değil
Silikonun kırılma indisi sıcaklıkla değişiyor; bu da optik fazı ve rezonans tabanlı cihazların merkez dalga boyunu değiştirebiliyor. Malzemeye göre küçük silikon halkaları, santigrat derece başına yaklaşık 70 ila 80 pikometre kayabiliyor. Bu nedenle bir fotonik devre elektriksel olarak bağlı ve mantıksal olarak çalışır durumda kalabilir; ancak rezonans lazer dalga boylarıyla artık uyumlu olmadığı için optik performansını kaybedebilir.
Dikey istiflemede sorun daha da büyüyor; çünkü SerDes ve sürücü devreleri, dar bir termal aralıkta kalması gereken rezonatörlerden mikrometreler uzakta birkaç watt dağıtabiliyor. Lazerin verimliliği, gücü, dalga boyu ve kullanım ömrü de sıcaklığa bağlı. Silikon, organik altlıklar, cam, bakır, yapıştırıcılar, III–V yarı iletkenleri ve iletişim fiberleri arasındaki termal genleşme farklılıkları, kalıbı veya hizalamayı etkileyebilecek gerilimler ekliyor.
Bu nedenle yalnızca işlemciyi soğutmak yeterli değil. Termal tasarım; kalıp istifini, interposer’ı, altlığı, kapağı, termal arayüz malzemelerini, soğuk plakayı, optik konektörleri, fiber yönlendirmesini ve hava akışı veya sıvı soğutma ortamını kapsamalı. Fotonik yongalar kaymayı telafi etmek için ısıtıcılar, sensörler ve etkin ayarlama mekanizmaları kullanabilir; ancak bu mekanizmalar doğrulanması gereken kontrol devreleri ve çalışma durumları ekliyor.
Optik sınırdaki doğrulama açığı
UCIe gibi elektriksel arayüzler, kilitlenme durumlarının ve protokol ihlallerinin bulunmadığının kanıtlanması da dâhil olmak üzere resmî doğrulama yöntemleriyle analiz edilebilen sözleşmelere ve protokollere sahip. Ancak Axiomise CEO’su Ashish Darbari’ye göre bu arayüzün arkasındaki optik sistem aynı düzeyde spesifikasyona ve disipline sahip değil. Burada önemli bir açık ortaya çıkıyor: elektriksel arayüz resmî olarak doğrulanmış olabilirken fotonik bölümün davranışları, termal sınırları, ayarlama mekanizması ve hata olasılıkları daha az tanımlı kalabiliyor.
Bu durum daha da hassas hâle geliyor; çünkü termal ayarlama algoritmasındaki bir hata sahada bileşenlerin fiziksel arızası gibi görünebilir. Bu nedenle kaynak, sisteme “varsayım ve garanti” türünde sözleşmeler bütünü olarak yaklaşmayı öneriyor: paket belirli bir termal aralığı garanti eder, ayarlama döngüsü ise bu aralık içinde kararlı bir duruma ulaşmayı garanti eder. Buna karşılık dijital kontrol mantığı, UCIe arayüzleri ve durum makineleri, günümüzde mevcut olan resmî doğrulama araçlarına tabi tutulabilir.
Sistem tasarımcıları açısından pratikte ne değişiyor?
En önemli ders, fotoniğin konumunun bileşen seçildikten sonra belirlenmemesi gerektiği. Darbari, veri hareketi modeliyle başlanmasını, ardından darboğazın paket sınırlarında mı, raf düzeyinde mi yoksa raflar arasında mı olduğunun belirlenmesini öneriyor. Arteris’ten Guillaume Boillet ise fotonik yonganın iç ağ açısından yüksek bant genişlikli bir uç nokta olarak görülebileceğini; ancak ağın onu gereken hızda besleyebilmesi gerektiğini belirtiyor.
Önerilen yaklaşım, önce bant genişliği, gecikme ve enerji bütçelerinin belirlenmesini; veri hareketinin sıralamaya ve tutarlılığa duyarlı akışlarla büyük, sürekli akışlar olarak sınıflandırılmasını ve ardından gerçekten paket dışına çıkması gereken bağlantıların belirlenmesini tavsiye ediyor. Ancak bundan sonra CPO, NPO veya fotonik yonga türünü seçmek mantıklı hâle geliyor. Termal doğrulama ile elektriksel-optik arayüzler de son onay aşamasına ertelenmemeli, mimari çalışmalarına dâhil edilmeli.
Bu tablo, fotoniğin her yerde bakırın yerini alacağı anlamına gelmiyor. Jensen Huang’a atfedilen yaklaşım, yönelimi şu ifadeyle özetliyor: Optiği gerekli olduğu yerde, bakırı ise mümkün olan her yerde kullanmak. Maddeye göre bakır, raf veya paket içindeki kısa mesafeler için uygunluğunu korurken optik; paketler ve raflar arasındaki bağlantılarda ve elektriksel bağlantıların enerji ile bant genişliği açısından maliyetli hâle geldiği mesafelerde avantaj sağlıyor. Gerçek değişim, bu kararın artık silikon tasarımından sonra alınan bir ağ kararı olmaması; işlem, paket ve bağlantının başlangıçtan itibaren birlikte ele alması gereken bir mimari kısıta dönüşmesi.