I recenti progressi nell’intelligenza artificiale e più specificamente i modelli linguistici di grandi dimensioni come ChatGPT hanno messo a dura prova i data center. I modelli di intelligenza artificiale richiedono enormi quantità di dati per l'addestramento e, per spostare i dati tra le unità di elaborazione e la memoria, diventano necessari collegamenti di comunicazione efficienti.
Per le comunicazioni a lunga distanza, la fibra ottica è già da decenni la soluzione migliore. Per la comunicazione intra-data center a breve distanza, l’industria sta ora iniziando ad adottare anche la fibra ottica grazie alle sue grandi prestazioni rispetto ai classici collegamenti elettrici. I recenti sviluppi tecnologici ora consentono persino il passaggio dall'interconnessione elettrica a quella ottica per distanze molto piccole, come la comunicazione tra chip all'interno dello stesso pacchetto.
Ciò richiede una conversione del flusso di dati dal dominio elettrico a quello ottico, che avviene nel ricetrasmettitore ottico. La fotonica del silicio è la tecnologia più utilizzata per fabbricare questi ricetrasmettitori ottici.
I dispositivi fotonici attivi all'interno del chip (modulatori e fotorilevatori) necessitano comunque di una connessione con driver elettronici per alimentare i dispositivi e leggere i dati in ingresso. L'impilamento del chip elettronico (EIC) direttamente sopra il chip fotonico (PIC) mediante la tecnologia di impilamento 3D realizza un'integrazione molto stretta dei componenti con bassa capacità parassita.
In una ricerca recentemente pubblicata sul Journal of Optical Microsystems , viene studiato l'impatto termico di questa integrazione 3D.
Il design del chip fotonico è costituito da una serie di modulatori ad anello, noti per la loro sensibilità alla temperatura. Per funzionare in un ambiente impegnativo, come un data center, necessitano di una stabilizzazione termica attiva. Questo viene implementato sotto forma di riscaldatori integrati. Per ragioni di efficienza energetica, è evidente che la potenza richiesta per la stabilizzazione termica dovrebbe essere ridotta al minimo.
Il gruppo di ricerca della KU Leuven e dell'Imec in Belgio ha misurato sperimentalmente l'efficienza del riscaldatore dei modulatori ad anello prima e dopo l'incollaggio flip-chip dell'EIC sul PIC. È stata rilevata una perdita relativa di efficienza del -43,3%, il che rappresenta un impatto significativo.
Inoltre, le simulazioni 3D agli elementi finiti hanno attribuito questa perdita alla diffusione del calore nell’EIC. Questa diffusione del calore dovrebbe essere evitata perché, nel caso ideale, tutto il calore generato nel riscaldatore integrato è contenuto vicino al dispositivo fotonico. Anche la diafonia termica tra i dispositivi fotonici è aumentata fino al +44,4% dopo aver incollato l'EIC, complicando il controllo termico individuale.
Quantificare l’impatto termico dell’integrazione fotonico-elettronica 3D è essenziale, ma lo è anche la prevenzione della perdita di efficienza del riscaldatore. Per questo motivo è stato condotto uno studio di simulazione termica in cui le variabili tipiche del progetto sono state modificate con l’obiettivo di aumentare l’efficienza del riscaldatore. È stato dimostrato che aumentando la spaziatura tra µbumps e il dispositivo fotonico e diminuendo la larghezza della linea di interconnessione, la penalità termica dell'integrazione 3D può essere ridotta al minimo.
Ulteriori informazioni: David Coenen et al, Modellazione termica di ricetrasmettitori fotonico-elettronici ibridi tridimensionali integrati e basati su anello in silicio, Journal of Optical Microsystems (2023). DOI:10.1117/1.JOM.4.1.011004
Fornito da SPIE
