Avanços recentes em IA e, mais especificamente, em grandes modelos de linguagem, como ChatGPT, colocaram pressão sobre os data centers. Os modelos de IA requerem enormes quantidades de dados para serem treinados e, para mover os dados entre as unidades de processamento e a memória, tornam-se necessários links de comunicação eficientes.



Para comunicações de longa distância, a fibra óptica já é a solução preferida há décadas. Para comunicação intra-data center de curta distância, a indústria agora também está começando a adotar fibra óptica devido ao seu excelente desempenho em comparação com links elétricos clássicos. Os recentes desenvolvimentos tecnológicos permitem agora mesmo a mudança da interligação elétrica para a óptica em distâncias muito pequenas, como a comunicação entre chips dentro do mesmo pacote.

Isto requer uma conversão do fluxo de dados do domínio elétrico para o domínio óptico, o que acontece no transceptor óptico. A fotônica de silício é a tecnologia mais amplamente utilizada para a fabricação desses transceptores ópticos.

Os dispositivos fotônicos ativos dentro do chip (moduladores e fotodetectores) ainda requerem conexão com drivers eletrônicos para alimentação dos dispositivos e leitura dos dados recebidos. O empilhamento do chip eletrônico (EIC) bem em cima do chip fotônico (PIC) por meio da tecnologia de empilhamento 3D proporciona uma integração muito estreita dos componentes com baixa capacitância parasita.

Em pesquisa publicada recentemente no Journal of Optical Microsystems , o impacto térmico desta integração 3D é investigado.

O design do chip fotônico consiste em uma série de moduladores de anel, conhecidos por sua sensibilidade à temperatura. Para operar em um ambiente exigente, como um data center, eles precisam de estabilização térmica ativa. Isto é implementado na forma de aquecedores integrados. Por razões de eficiência energética, é evidente que a potência necessária para a estabilização térmica deve ser minimizada.

A equipe de pesquisa da KU Leuven e Imec, na Bélgica, mediu experimentalmente a eficiência do aquecedor dos moduladores de anel antes e depois da ligação flip-chip do EIC no PIC. Foi constatada uma perda relativa de -43,3% de eficiência, o que é um impacto significativo.

Além disso, simulações de elementos finitos em 3D atribuíram esta perda à propagação de calor no EIC. Esta propagação de calor deve ser evitada porque, no caso ideal, todo o calor gerado no aquecedor integrado fica contido próximo ao dispositivo fotônico. O crosstalk térmico entre os dispositivos fotônicos também aumentou em até +44,4% após a ligação do EIC, complicando o controle térmico individual.

Quantificar o impacto térmico da integração fotônico-eletrônica 3D é essencial, mas também o é a prevenção da perda de eficiência do aquecedor. Por esta razão, foi realizado um estudo de simulação térmica onde variáveis ​​típicas de projeto foram alteradas com o objetivo de aumentar a eficiência do aquecedor. É mostrado que aumentando o espaçamento entre µbumps e o dispositivo fotônico e diminuindo a largura de linha de interconexão, a penalidade térmica da integração 3D pode ser minimizada.

Mais informações: David Coenen et al, Modelagem térmica de transceptores fotônico-eletrônicos de silício tridimensionais híbridos integrados e baseados em anel, Journal of Optical Microsystems (2023). DOI:10.1117/1.JOM.4.1.011004
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