رونمایی آیمک از فتودیود ۱۰۰ گیگاهرتزی؛ مسیر پیوندهای نوری ۴۰۰ گیگابیت بر ثانیه برای دیتاسنترهای هوش مصنوعی هموار شد

در کنفرانس اروپایی ارتباطات نوری در سپتامبر ۲۰۲۶، مرکز تحقیقات نیمه‌هادی بلژیکی آیمک (Imec) یک فتودیود بهمنی ژرمانیوم روی سیلیکون ۱۰۰ گیگاهرتزی را به نمایش گذاشت که تنها با ۵ ولت کار می‌کند. این قطعه، نخستین پیوند نوری خالص ۴۰۰ گیگابیت بر ثانیه را با استفاده از یک گیرنده فتودیود بهمنی امکان‌پذیر کرد و استاندارد سخت‌افزاری جدیدی را برای تبادل عظیم داده‌های مورد نیاز در دیتاسنترهای هوش مصنوعی بنا نهاد. این نمایش با اثبات اینکه دریافت نوری پرسرعت بدون نیاز به مصرف انرژی بازدارنده قابل دستیابی است، یکی از مبرم‌ترین گلوگاه‌های فیزیکی در محیط‌های پردازش ابری در مقیاس بزرگ را برطرف می‌کند.[1][4]

با گسترش خوشه‌های آموزش هوش مصنوعی برای پردازش مدل‌های پیچیده‌تر، زیرساخت فیزیکی متصل‌کننده رک‌های سرور با یک گلوگاه جدی در نسبت پهنای باند به توان مصرفی مواجه می‌شود. تأسیسات باید ترابیت‌ها داده را در ثانیه با کمترین تأخیر جابه‌جا کنند، که این امر گیرنده‌های نوری مرسوم را به مرزهای مطلق فیزیکی‌شان می‌راند. فتودیودهای بهمنی ذاتاً سیگنال‌های نوری ورودی را تقویت می‌کنند تا حساسیت گیرنده را بهبود بخشند و به همین دلیل راهکاری بسیار مطلوب به شمار می‌روند. با این حال، از نظر تاریخی، مهندسان برای دستیابی به این بهره سیگنال داخلی مجبور بودند یا پهنای باند کلی را فدا کنند یا ولتاژهای کاری غیرعملی و بالایی را بپذیرند، که این مسئله استقرار آن‌ها را در اتصالات پرسرعت دیتاسنترها محدود می‌کرد.[2][4]

برای شکستن این مبادله تاریخی، پژوهشگران آیمک معماری استاندارد «جذب، بار و تکثیر مجزا» را که بر نحوه عملکرد این فتودیودها حاکم است، به طور بنیادین تغییر دادند. تیم مهندسی با بهره‌گیری از یک ساختار عمیقاً فرورفته ژرمانیوم در سیلیکون، لایه تکثیر را به کمتر از ۱۰۰ نانومتر کاهش داد و در عین حال لایه بار سنتی را کاملاً حذف کرد. این بازنگری ساختاری به نیمه‌هادی اجازه داد تا سیگنال‌های نوری را با سرعت‌های فوق‌العاده بالا پردازش کند، بدون آنکه به ولتاژ بالایی که معمولاً برای پیشبرد فرآیند تکثیر بهمنی نیاز است، احتیاج داشته باشد؛ و به این ترتیب پارامترهای عملیاتی گیرنده‌های فوتونیک سیلیکونی را عملاً بازنویسی کرد.[1][4]

این دستکاری دقیق ساختاری به دستگاه اجازه داد تا پهنای باند ۱۰۰ گیگاهرتز و پاسخ‌دهی ۱٫۸ آمپر بر وات را در هر دو طیف باند O و باند C حفظ کند، در حالی که تنها ۵ ولت انرژی مصرف می‌کند. سخت‌افزار حاصل، بهبود ۳ دسی‌بلی در حساسیت گیرنده ارائه می‌دهد که تقریباً معادل یک بهره داخلی دو برابری نسبت به فتودیودهای استاندارد و بدون تقویت‌کننده است. دستیابی به این سطح از عملکرد در باندهای نوری متعدد، به معماران سیستم انعطاف‌پذیری لازم را می‌دهد تا بدون نیاز به تعویض سخت‌افزار پایه گیرنده، طرح‌های متنوعی برای اتصالات داخلی طراحی کنند.[1][2][4]

یوریس ون کامپنهوت، نایب‌رئیس تحقیق و توسعه اتصالات نوری در آیمک، در جریان ارائه این کنفرانس گفت: «این فتودیود بهمنی در مقایسه با یک فتودیود معمولی، حاشیه پیوند بیشتری فراهم می‌کند. این ویژگی در ترکیب با پهنای باند بالا و ولتاژ کاری پایین، دستگاه را برای توسعه اتصالات نوری در مقیاس‌های بزرگ آینده بسیار جذاب می‌سازد.» توانایی حفظ این حاشیه در ولتاژ ۵ ولت، عامل حیاتی و تعیین‌کننده‌ای است که این قطعه را از یک دستاورد آزمایشگاهی صرف، به گزینه‌ای عملی برای استقرار تجاری در دیتاسنترها ارتقا می‌دهد.[1][4]

برای معماران سیستمی که نسل بعدی خوشه‌های هوش مصنوعی را طراحی می‌کنند، این حاشیه ۳ دسی‌بلی به عنوان یک ارز بسیار انعطاف‌پذیر در محیط‌های با محدودیت انرژی عمل می‌کند. اپراتورهای تأسیسات می‌توانند این حاشیه را برای کاهش مصرف انرژی لیزرهای فرستنده صرف کنند و در نتیجه مصرف کلی انرژی و نیازهای سرمایشی تأسیسات را کاهش دهند. از سوی دیگر، آن‌ها می‌توانند از این حساسیت بهبودیافته برای تحمل افت نوری بیشتر در رک‌های سرور پیچیده و متراکم استفاده کنند؛ جایی که کابل‌ها باید از فضاهای فیزیکی تنگ و نقاط اتصال متعدد عبور کنند بدون آنکه کیفیت جریان داده‌ها افت کند.[1][3]

برای اثبات کارایی این گیرنده جدید در سطح سیستم، آیمک این فتودیود را با یک مدولاتور الکتروجذبی فراتر از ۱۱۰ گیگاهرتز که این سازمان در نسخه ۲۰۲۵ همین کنفرانس معرفی کرده بود، جفت کرد. این دو دستگاه که با هم روی پلتفرم استاندارد فوتونیک سیلیکونی ۳۰۰ میلی‌متری آیمک کار می‌کردند، با موفقیت پیوند نوری ۴۰۰ گیگابیت بر ثانیه را حفظ کردند. این مرکز تحقیقاتی با استفاده از یک پلتفرم تولیدی تثبیت‌شده ۳۰۰ میلی‌متری، نشان داد که این دستاورد نیازی به تکنیک‌های ساخت پیچیده ندارد و مانع بزرگی را برای تولید انبوه نهایی توسط کارخانه‌های تجاری نیمه‌هادی برطرف کرد.[1][4]

با اثبات معماری بنیادین، این گروه تحقیقاتی اکنون تمرکز خود را به سمت مقاوم‌سازی تجاری و یکپارچه‌سازی معطوف کرده است. فازهای مهندسی بعدی، قابلیت اطمینان فتودیود را در محدوده‌های دمایی مختلف و شرایط نوسان توان ورودی نوری آزمایش خواهند کرد تا اطمینان حاصل شود که این قطعه می‌تواند در واقعیت‌های حرارتی خشن یک رک سرور فعال دوام بیاورد. همزمان، تیم تلاش خواهد کرد تا گیرنده را مستقیماً با قطعات الکترونیکی پرسرعت در خط تولید ۳۰۰ میلی‌متری یکپارچه کند و این فناوری را یک گام به استقرار در زنجیره تأمین جهانی هوش مصنوعی نزدیک‌تر سازد.[1]