В настоящее время высокоскоростные оптические соединения играют ключевую роль в обеспечении производительности и масштабируемости ИИ ЦОД, особенно по мере того, как они превращаются в крупные кластеры, сообщается в исследовании TrendForce. Согласно её прогнозу, в 2025 году мировые поставки оптических трансиверов с поддержкой скорости 800 Гбит/с и выше составят 24 млн шт. с последующим ростом в 2,6 раза почти до 63 млн шт. в 2026 году.

Аналитики отметили, что резкий рост спроса на оптические трансиверы привёл к значительному дефициту в сфере производства источников лазерного излучения на глобальном рынке. NVIDIA в рамках стратегии развития зарезервировала крупные объёмы продукции у ключевых поставщиков EML-лазеров, что привело к увеличению сроков поставки — не ранее 2027 года. В связи с этим производители оптических модулей и провайдеры облачных услуг (CSP) вынуждены заниматься поиском вторичных поставщиков и альтернативных решений, что ведёт к изменениям в отрасли, отметили в TrendForce.

Помимо лазеров VCSEL, используемых в линиях связи малой и средней дальности, оптические модули для линий средней и большой дальности в основном включают два типа лазеров: EML, отличающиеся большой дальностью действия и целостностью сигнала, и лазеры непрерывного излучения (CW). В EML-лазерах все ключевые функции объединены на одном кристалле, что делает их чрезвычайно сложными и трудоёмкими в изготовлении. Их производством занимается всего лишь несколько поставщиков, таких как Lumentum, Coherent (Finisar), Mitsubishi, Sumitomo и Broadcom. Впрочем, о дефиците Mitsubishi предупреждала более года назад. А Broadcom, вероятно, будет отдавать приоритет собственным продуктам.

Источник изображения: TrendForce

EML-лазеры играют важную роль в масштабировании вычислительных кластеров с увеличением расстояния между ЦОД. Планы NVIDIA по развитию кремниевой фотоники и интегрированной оптики (CPO) реализуются медленнее, чем предполагалось, что приводит к постоянной зависимости от подключаемых модулей для расширения кластеров. Чтобы обеспечить стабильную работу в этом направлении, NVIDIA заранее зарезервировала значительную часть мощностей по производству EML-лазеров, что отразилось на доступности компонента для остальных компаний.

CW-лазеры, используемые в паре с кремниевыми фотонными чипами, отличаются более простой конструкцией, обусловленной ​​отсутствием встроенной возможности модуляции, что упрощает производство и расширяет круг поставщиков. В результате CW-лазеры в сочетании с кремниевой фотоникой стали основным альтернативным решением для провайдеров облачных услуг в связи с дефицитом EML-лазеров.

Впрочем, здесь тоже наблюдаются проблемы. Производство CW-лазеров сталкивается с растущими ограничениями, обусловленными рядом факторов: длительные сроки поставки оборудования ограничивают расширение производства, а строгие стандарты надёжности требуют трудоемких тестов. В результате многие поставщики передают эти этапы на аутсорсинг, что создает дополнительные узкие места в производственной цепочке. Ввиду того, что экосистема производства CW-лазеров приближается к дефициту мощностей, поставщики вынуждены форсировать усилия по расширению производства.

Источник изображения: NVIDIA

Помимо лазерных передатчиков, для изготовления оптических модулей требуются высокоскоростные фотодиоды (PD) для приёма сигналов. Ведущие поставщики, такие как Coherent, MACOM, Broadcom и Lumentum, выпускают фотодиоды PD 200G с поддержкой скорости передачи данных 200 Гбит/с на канал.

Фотодиоды производятся на эпитаксиальных пластинах из фосфида индия (InP), аналогично EML- и CW-лазерам. Поскольку производители лазеров стремятся расширить мощности для эпитаксии, многие из них передают заказы на InP-эпитаксию (процесс выращивания эпитаксиальных листов из фосфида индия на подложке) специализированным заводам, таким как IntelliEPI и VPEC, сообщили в TrendForce.

TrendForce прогнозирует, что спрос, обусловленный ИИ, приведёт не только к сокращению предложения модулей памяти, но и отразится на экосистеме производства лазеров в целом. Стремление NVIDIA обеспечить необходимые объёмы поставок EML-лазеров привело к ускорению перехода к CW-решениям и кремниевой фотоники среди других производителей. В то же время общеотраслевая гонка за производственными мощностями меняет роли в цепочке поставок и стимулирует рост производства у поставщиков технологий эпитаксии и обработки полупроводниковых соединений, говорят аналитики.

Попытка Google разработать технологию для обеспечения отдалённых от цивилизации мест связью с помощью надувных шаров и беспроводной связи в рамках проекта Loon доросла до выделения в самостоятельную компанию. Подобный успех у «побочных» начинаний техногиганта случается довольно редко, но детище Google заслужило особое отношение, сообщает The Register.

Проект Loon развивался в группе, в своё время известной как Google X. После того, как Alphabet стала родительской компанией Google, подразделение стало называться просто в X (не имеет отношения к соцсети Маска). Предполагалось, что X будет заниматься перспективными побочными проектами.

В рамках проекта Loon разработчики пытались обеспечить глухие места интернет-подключением с помощью крупных воздушных шаров, оснащённых LTE-станциями. Шары же общались друг с другом посредством лазерных модулей. Alphabet фактически свернула Loon в 2021 году после того, как попытки коммерциализации провалились.

Источник изображения: Taara

А вот лазерную технологию передачи данных сохранили и после доработки преобразовали в решение Taara Lightbridge, позволяющее передавать данные со скоростью до 20 Гбит/с на расстояние до 20 км. Продукт позиционировался как альтернатива прокладке оптоволоконных кабелей в отдалённых районах и местах с неблагоприятной средой. Кроме того, его предлагали использовать для передачи данных через водные преграды. Телеком-операторам технология понравилась и её внедрили Airtel и Liberty Networks.

Taara создала для Lightbridge специальный чип, потенциально позволяющий создать в будущем очень маленькие беспроводные оптические сетевые устройства. Если технология первого поколения Taara использовала физические методы для управления лучами с помощью системы зеркал, сенсоров и другого оборудования, то теперь почти вся «механика» реализована в самом чипе в виде сотен оптических модулей. Всем теперь управляет ПО и нет громоздких движущихся компонентов. Общие принципы технологии те же, но теперь всё необходимое умещается в модуль размером с ноготь.

Источник изображения: Taara

Если на прокладку кабелей уходят дни, месяцы, а иногда и годы, то для развёртывания Taara Lightbridge достаточно считаных часов. В тестах удавалось передавать с помощью двух чипов данные со скоростью 10 Гбит/с на расстояние до 1 км на открытом воздухе — и это только начало. Использование новых чипов позволяет не только обеспечить связью недоступные места, но и пересмотреть принципы построения и работы ЦОД, а также управления беспилотными автомобилями и др. Новый чип, как ожидается, будет доступен в 2026 году.

Теперь X объявила, что Taara будет выделена в независимую компанию после того, как она получила инвестиции от Series X Capital. В феврале сообщалось, что терминалы Taara, только не на шарах, а на беспилотниках, уже испытала Vodafone.

В целом проект X (он же Moonshot Factory) компании Google/Alphabet более всего известен «выпускником» Waymo — сервисом беспилотных такси. Прочие перспективные технологии вроде помощника разработчика AIDA были «поглощены» Google. Некоторые, конечно, и вовсе не получили широкого распространения. Например, проект Wing по доставке товаров беспилотниками так и не смог добиться успеха.

Телеком-оператор Vodafone тестирует беспилотники, оснащённые оптическими телекоммуникационными узлами Google X Taara, с помощью которых можно быстро организовать высокоскоростное беспроводное соединение в случаях, когда повреждены кабели, связывающие вышки сотовой связи, сообщает компания в своём блоге.

В феврале Vodafone и Taara успешно провели первые тесты в Севилье (Испания), организовав временный канал связи на расстоянии трёх километров с помощью двух беспилотников промышленного уровня с лазерными терминалами Taara. Для компании это важный проект, поскольку в Европе она ежегодно сталкивается 75–100 обрывами своей опорной оптической сети.

Taara использует технологию, оставшуюся от заброшенного проекта Loon, предполагавшего организацию связи с помощью высотных воздушных шаров. Терминалы Taara способны передавать друг другу информацию со скоростью до 20 Гбит/с на расстояние до 20 км с помощью очень узкого, невидимого лазерного луча. Каждый модуль потребляет около 40 Вт.

По данным Datacenter Dynamics, с помощью Taara была организована связь в некоторых регионах Австралии, Кении и Фиджи. Также терминалы задействованы в испытаниях компании Liquid Intelligent Technologies в Конго, Bluetown в Индии и Digicel на островах Тихого океана. Наконец, сообщалось об использовании терминалов оператором Liberty Networks на Карибах и Bharti Airtel в сельской Индии.

Источник изображения: Vodafone

Использование дронов для обеспечения временной связи в сельской местности и в экстренных ситуациях тестируют многие компании. Так, Vocus в 2023 году разработала «мобильную сотовую вышку» на базе БПЛА для экстренных служб Австралии. Verizon уже использовала беспилотники для предоставления связи во время урагана Иэн (Hurricane Ian) 2022 года и называла технологию «критически важной», а шведская телеком-компания Telia использует БПЛА для расширения охвата 5G в лесозаготовительной промышленности. Virgin Media O2 разработала беспилотник с поддержкой 5G для поддержки поисковых и спасательных команд в отдалённых районах.

Группа компаний Softline объявила о приобретении контролирующей доли в научно-техническом объединении «ИРЭ-Полюс» у международной группы IPG Photonics, базирующейся в США. Сумма сделки составила 4,5 млрд руб.

НТО «ИРЭ-Полюс» основано в 1991 году, является крупнейшим разработчиком волоконных лазеров в России (около 90 % от всех производимых лазеров в стране) и занимает 70 % российского рынка в сегментах промышленных лазеров, лазерных систем и усилителей. Компания обладает большим научно-исследовательским потенциалом и собственными производственными мощностями в РФ. Общая численность сотрудников предприятия составляет 1,1 тыс. человек, из них порядка 25 % составляют инженеры-разработчики и специалисты по поддержке IT-инфраструктуры.

Компания выпускает лазеры, сопутствующие компоненты, аксессуары и готовые решения. Это, в частности, ручные системы лазерной очистки и сварки, оптические головки, автоматизированные системы лазерной обработки, медицинские аппараты для диагностики и хирургии, а также DCI- и DWDM-платформы «Горизонт».

Источник изображения: НТО «ИРЭ-Полюс»

В результате сделки Softline намерена расширить своё присутствие в промышленном секторе, телекоммуникационной и медицинской отраслях. В свою очередь НТО «ИРЭ-Полюс» планирует наращивать международное направление, открывая новые зарубежные рынки через партнёров Softline.

«ИРЭ-Полюс» является крупным игроком на международных рынках, нацеленным на развитие продаж в дружественных странах, говорится в пресс-релизе. Доля международных продаж НТО «ИРЭ-Полюс» в направлении медицинских лазеров составляет примерно 30 %, индустриального оборудования — 15 %. Наибольший объем экспорта приходится на страны Юго-Восточной Азии и Азиатско-Тихоокеанского региона, в частности — Индию и Китай.

Фотоника сулит немалые преимущества, и особенно ярко они проявятся в случае достижения высокой степени интеграции — если внешний источник лазерного излучения может существенно усложнить систему и сделать её более дорогой, то интегрированный на кремниевую пластину, напротив, многое упрощает.

Неудивительно, что разработчики, бьющиеся над созданием гибридных фотонных чипов, нацелены именно на такой вариант. Ранее мы рассказывали о варианте Synopsys и Juniper Networks, которые также планируют использовать интегрированные лазеры в рамках возможностей техпроцесса PH18DA компании Tower Semiconductor, а сейчас успеха добилась корпорация Intel.

Традиционные оптические модуляторы достаточно громоздки. Источник: Intel Labs

Научно-исследовательское подразделение компании, Intel Labs, сообщает, что на базе «существующего кремниевого-фотонного техпроцесса для пластин диаметром 300 мм» удалось создать интегрированный лазерный массив, работающий с восемью длинами волн. Это хорошо отработанная технология, на её основе Intel уже производит оптические трансиверы, что открывает дорогу к достаточно быстрому началу производству фотонных чипов со встроенными лазерными массивами.

Вариант Intel использует компактные кольцевые микромодуляторы. Источник: Intel Labs

В технологии используются лазерные диоды с распределённой схемой обратной связи (distributed feedback, DFB), которая позволяет добиться высокой точности как в мощности излучения в пределах 0,25 дБ, так и в спектральных характеристиках, где отклонения в границах используемых спектров не превышают 6,5%. Достигнутые параметры превышают аналогичные показатели классических полупроводниковых лазеров.

Компания также отмечает, что применённая ей новая технология кольцевых микромодуляторов, отвечающих за конверсию электрического сигнала в оптический, существенно компактнее более традиционных решений других разработчиков. Такой подход позволяет поднять удельную плотность фотонных линий передачи данных, то есть, при прочих равных условиях, чип, оснащённый интерконнектом Intel, будет иметь более «широкую» оптическую шину с более высокой пропускной способностью.

В технологии используется массив из 8 лазеров. Источник: Intel Labs

Технология гибридной фотоники со встроенными лазерами, использующая мультиплексирование с разделением по длине волны (dense wavelength division multiplexing, DWDM), делает высокоскоростной оптический интерконнект возможным, но до успеха Intel данная технология упиралась именно в точность разделения спектра и в достаточно высокое энергопотребление источников излучения.

В настоящее время уже ведутся работы по созданию специального чиплета, который позволит вывести оптический интерконнект за пределы кремниевой пластины, а это в перспективе даст возможность как для фотонного соединения между центральным процессором и памятью или GPU, так и для реализации будущих ещё более скоростных версий стандарта PCI Express или его наследника.

Дорога к высокоскоростному оптическому интерконнекту открыта! Источник: Intel Labs

Ayar Labs, один из пионеров в освоении гибридных электронно-оптических технологий однако считает, что у подхода Intel есть и недостатки. Сам по себе оптический интерконнект, конечно, может быть производительнее классического, и к тому же он не подвержен помехам. Однако лазерные диоды по природе своей достаточно капризны, а глубокая интеграция источника излучения в чип при выходе хотя бы одного лазера из строя делает всю схему бесполезной. В своих решениях Ayar Labs полагается на внешний лазерный модуль SuperNova.