Recente ontwikkelingen op het gebied van AI en meer specifiek grote taalmodellen zoals ChatGPT hebben de datacenters onder druk gezet. AI-modellen vereisen enorme hoeveelheden gegevens om te trainen, en om gegevens tussen de verwerkingseenheden en het geheugen te verplaatsen zijn efficiënte communicatieverbindingen noodzakelijk.

Voor langeafstandscommunicatie is glasvezel al tientallen jaren dé oplossing. Voor intra-datacentercommunicatie over korte afstanden begint de industrie nu ook glasvezel toe te passen vanwege de geweldige prestaties ervan in vergelijking met klassieke elektrische verbindingen. Recente technologische ontwikkelingen maken nu zelfs de overstap van elektrische naar optische verbindingen over zeer kleine afstanden mogelijk, zoals de communicatie tussen chips in dezelfde behuizing.

Dit vereist een conversie van de datastroom van het elektrische naar het optische domein, wat gebeurt in de optische transceiver. Siliciumfotonica is de meest gebruikte technologie voor het vervaardigen van deze optische transceivers.

De actieve fotonische apparaten in de chip (modulatoren en fotodetectoren) vereisen nog steeds een verbinding met elektronische stuurprogramma's om de apparaten van stroom te voorzien en de binnenkomende gegevens te lezen. Door de elektronische chip (EIC) rechtstreeks op de fotonische chip (PIC) te stapelen door middel van 3D-stapeltechnologie, wordt een zeer nauwe integratie van de componenten met een lage parasitaire capaciteit gerealiseerd.

Uit onderzoek dat onlangs is gepubliceerd in het Journal of Optical Microsystems , wordt de thermische impact van deze 3D-integratie onderzocht.

Het ontwerp van de fotonische chip bestaat uit een reeks ringmodulatoren, die bekend staan ​​om hun temperatuurgevoeligheid. Om in een veeleisende omgeving, zoals een datacenter, te kunnen functioneren, hebben ze actieve thermische stabilisatie nodig. Dit wordt geïmplementeerd in de vorm van geïntegreerde verwarmingselementen. Om redenen van energie-efficiëntie is het duidelijk dat het vermogen dat nodig is voor thermische stabilisatie tot een minimum moet worden beperkt.

Het onderzoeksteam van de KU Leuven en Imec in België heeft de verwarmingsefficiëntie van de ringmodulatoren experimenteel gemeten voor en na de flip-chip-binding van de EIC op de PIC. Er werd een relatief verlies aan efficiëntie van -43,3% vastgesteld, wat een aanzienlijke impact is.

Bovendien schreven 3D-eindige-elementensimulaties dit verlies toe aan warmteverspreiding in de EIC. Deze warmteverspreiding moet worden vermeden omdat in het ideale geval alle warmte die in de geïntegreerde verwarmer wordt gegenereerd zich dicht bij het fotonische apparaat bevindt. De thermische overspraak tussen de fotonische apparaten nam ook toe met wel +44,4% na het verbinden van de EIC, wat de individuele thermische controle compliceerde.

Het kwantificeren van de thermische impact van 3D fotonisch-elektronische integratie is essentieel, maar dat geldt ook voor het voorkomen van verlies aan efficiëntie van de verwarming. Om deze reden werd een thermische simulatiestudie uitgevoerd waarbij typische ontwerpvariabelen werden gewijzigd met als doel de efficiëntie van de verwarming te verhogen. Er wordt aangetoond dat door het vergroten van de afstand tussen de µbumps en het fotonische apparaat en door het verkleinen van de lijnbreedte van de verbinding, de thermische gevolgen van 3D-integratie kunnen worden geminimaliseerd.

Meer informatie: David Coenen et al, Thermische modellering van hybride driedimensionale geïntegreerde, ringgebaseerde silicium fotonische-elektronische transceivers, Journal of Optical Microsystems (2023). DOI:10.1117/1.JOM.4.1.011004

Geleverd door SPIE