Werbung
Neben weiteren Details zur Fertigung der Chips, dem Packaging und der zukünftigen Entwicklung beim Custom-HBM hat TSMC auf dem hauseigenen Open Innovation Platform Ecosystem Forum auch einige Details zur weiteren Entwicklung bei der optischen Datenübertragung verraten.
An Technologien wie Silicon Photonics wird seit Jahrzehnten gearbeitet. Chiphersteller wie Intel und NVIDIA stellen die Vorteile einer optischen Datenübertragung auch für extrem kurze Strecken immer wieder heraus. Was für größere Verbindungsstrecken im Netzwerkbereich bereits angewendet wird, soll in Zukunft auch auf Package-Ebene der Chips zur Anwendung kommen.
Kupferverbindungen haben die Hersteller inzwischen schon sehr weit gebracht. Was vor Jahren noch undenkbar gewesen wäre, kommt heute in Form der kupferbasierten NVLink-Verbindungen in den NVL72-Racks von NVIDIA zum Einsatz. In 18 Compute Nodes werden 72 Blackwell-GPUs mittels NVLink direkt miteinander verbunden und erreichen dabei eine bidirektionale Übertragungsrate von 1,8 TB/s – 18 einzelne Links mit jeweils 100 GB/s. Aber auch wenn eine solche Kupferverbindung bei solchen Übertragungsraten ein technologisches Meisterwerk sind, so wird früher oder später der Wechsel auf optische Verbindungen erfolgen müssen.
TSMC möchte seine Partner entsprechend vorbereiten und die notwendigen Technologien zur Verfügung stellen oder gemeinsam mit den Kunden entwickeln.
Die aktuellen Kupfer-Verbindungen kommen laut TSMC auf eine Übertragungseffizienz von >30 pJ/Bit. In einem ersten Schritt sollen nun sogenannte Optical Engines (OE) auf dem PCB integriert werden – beispielsweise über ein Optical Compute Interconnect (OCI) Chiplet. Hinsichtlich der Latenz bietet diese Methode keinerlei Verbesserungen, wohl aber in der Effizienz der Übertragung, die bei >10 pJ/Bit liegen soll.
Den nächsten Schritt in der Integration hat NVIDIA für seine optischen Netzwerkswitches bereits umgesetzt. Auch andere Hersteller wie Broadcom arbeiten an optischen Verbindungen direkt auf Substrat-Ebene. Beide Unternehmen arbeiten in diesem Bereich mit TSMC zusammen. Die Effizienz wird mit dieser Technik noch einmal verdoppelt (>5 pJ/Bit). Die Distanzen, die hier zwischen Switch-Chip und dem optischen Element überbrückt werden können, liegen bei etwa 10 mm. Wegen des geringeren Abstands und der wegfallenden Interface-Ebenen, wird die Latenz auf rund ein Zehntel reduziert.
Logikbaustein und optische Einheit rücken noch enger zusammen, wenn beide direkt auf dem Interposer integriert werden. Die Chips sitzen mit einem Abstand von weniger als 1 mm zusammen, was die Latenzen noch einmal in etwa halbiert. Zugleich wird die Effizienz in der Übertragung auf >2 pJ/Bit reduziert.
Optische Verbindungen zwischen Chips bieten erhebliche Vorteile: Sie ermöglichen eine deutlich höhere Bandbreite pro physikalischem Platz im Vergleich zu elektrischen Interconnects, reduzieren die Signalverluste über längere Distanzen, sind weniger anfällig für elektromagnetische Interferenzen und ermöglichen eine bessere Skalierbarkeit für zukünftige High-Performance-Computing- und Rechenzentrum-Infrastrukturen. Die Energieeffizienz kann durch Vermeidung von thermischen Verlusten in langen elektrischen Leitern verbessert werden.
Allerdings haben optische Verbindungen auch erhebliche Nachteile: Die Integration von Laserquellen, optischen Modulatoren und Photodetektoren auf oder zwischen Chips ist kostspielig und komplex, erfordert präzise Ausrichtung und spezialisierte Fertigungsprozesse, was die Herstellungskosten und die Komplexität erhöht. Zudem sind optische Komponenten derzeit noch deutlich teurer als etablierte elektrische Technologien, die Latenz kann in manchen Konfigurationen höher ausfallen, und die Wartung sowie Fehlerbehandlung ist schwieriger. Die Technologie befindet sich noch nicht in der Massenproduktion für Chip-to-Chip-Verbindungen, weshalb elektrische Interconnects weiterhin der Standard bleiben, obwohl optische Systeme für spezifische Anwendungen wie langstreckige Rechenzentrum-Verbindungen oder sehr hochperformante spezialisierte Systeme zunehmend an Bedeutung gewinnen.
