Optische Verbindungen für KI-Rechenzentren: Von steckbaren optischen Modulen bis zu Co-Packed Optics

Optische Verbindungen für KI-Rechenzentrensind Hochgeschwindigkeits-Datenverbindungen, die Licht nutzen, um Informationen zwischen GPUs, Switches, Racks und Rechenzentrumssystemen zu übertragen. Sie sind wichtig, weil große KI-Cluster mehr als reine Rechenleistung benötigen: Sie benötigen auch eine hohe Bandbreite, geringe Latenz und eine energieeffiziente Datenbewegung über viele Geräte hinweg.

In den letzten Jahren konzentrierten sich die meisten Diskussionen über KI-Infrastruktur auf GPUs. Dieser Fokus ist verständlich, da GPUs die parallele Rechenleistung bereitstellen, die für umfangreiches Training und Inferenz erforderlich ist. Aber ein GPU-Cluster ist nicht nur ein Haufen Beschleuniger. Es handelt sich um ein verteiltes Computersystem, und verteilte Systeme sind nicht nur dadurch begrenzt, wie schnell jeder Prozessor rechnen kann, sondern auch dadurch, wie schnell Daten zwischen Prozessoren übertragen werden können.

Wenn Tausende von GPUs zusammenarbeiten, wird die Verbindung Teil des Rechensystems selbst. Wenn der Datenpfad zwischen GPUs, Switches und Racks nicht mithalten kann, verbringen teure Beschleuniger mehr Zeit mit Warten und weniger Zeit mit Rechnen. In diesem Sinne handelt es sich bei der optischen Verbindung nicht um ein peripheres Netzwerkthema. Sie ist eine der physikalischen Schichten, die darüber entscheidet, ob große KI-Systeme ihre installierte Rechenleistung effektiv nutzen können.

KI-Training ist der einfachste Ort, um das Problem zu erkennen. Ein großes Modell kann eine enorme Anzahl von Parametern enthalten, die weit über das hinausgehen, was eine einzelne GPU speichern oder effizient verarbeiten kann. Die Arbeitslast wird auf viele Beschleuniger aufgeteilt. Jede GPU berechnet einen Teil der Aufgabe und tauscht dann Zwischenergebnisse mit anderen GPUs aus. Dieser Austausch kann während des Trainings wiederholt stattfinden und zu starkem Ost-West-Verkehr innerhalb des KI-Clusters führen.

Inferenz sah früher auch einfacher aus. In einer früheren Generation von KI-Anwendungen war es vernünftig, sich vorzustellen, dass eine Anfrage von einer kleinen Anzahl von GPUs bearbeitet wird. Moderne Schlussfolgerungen bewegen sich in Richtung komplexerer Schlussfolgerungen, längerer Kontexte, Abfragen, Werkzeugnutzung, Planung und Agenten-Workflows. In diesen Fällen muss das System möglicherweise mehr Rechenressourcen über mehrere Schritte hinweg koordinieren. Das Ergebnis ist, dass Inferenz auch zu einer verbindungsempfindlichen Arbeitslast werden kann, insbesondere wenn die Bereitstellung viele Benutzer in großem Maßstab bedient.

Die praktische Lektion ist einfach: Sobald KI-Workloads erfordern, dass viele Prozessoren als ein System agieren,GPU-Interconnect-Bandbreitewird Teil der Leistungsgleichung.

Training und Inferenz üben unterschiedlichen Druck auf das Netzwerk aus, aber beide hängen von der Datenbewegung ab.

Während des Trainings tauschen GPUs Verläufe, Aktivierungen, Parameter und Zwischendaten aus. Je verteilter das Modell und je größer der Cluster, desto wichtiger werden Synchronisation und Datenaustausch. Während der Inferenz hängt der Druck vom Workload-Design ab. Eine einfache Anfrage-Antwort-Inferenz belastet das Netzwerk möglicherweise nicht so stark wie das Training, aber mehrstufige Argumentation, Abruf und Agentenausführung können die Kommunikation zwischen Rechenknoten, Speichersystemen und Beschleunigergruppen verbessern.

Aus diesem Grund sind optische Verbindungen zu einem zentralen Bestandteil der Architektur von KI-Rechenzentren geworden. Die Herausforderung besteht nicht mehr nur darin, schnellere Chips zu bauen. Es geht auch darum, diese Chips so zu verbinden, dass die Bandbreite hoch, die Entfernung überschaubar, die Latenz niedrig und der Stromverbrauch unter Kontrolle bleibt.

Kupfer spielt in KI-Systemen immer noch eine wichtige Rolle. Für sehr kurze elektrische Pfade innerhalb eines Servers, Gehäuses oder eng integrierten Schranks kann Kupfer effizient, wartungsfreundlich und kostengünstig sein. Das Problem tritt auf, wenn derselbe kupferbasierte Ansatz auf höhere Lane-Raten, längere Verbindungen und größere Cluster-Topologien ausgeweitet wird.

Bei hoher Geschwindigkeit unterliegen Kupferverbindungen drei verbundenen Einschränkungen: Signalintegrität, Reichweite und Leistung. Je höher die Datenrate, desto schwieriger wird es, saubere elektrische Signale über Entfernungen zu senden. Passives Kupfer ist normalerweise auf kurze Verbindungen beschränkt. Aktive Kupferlösungen können die Reichweite durch Hinzufügen von Elektronik erweitern, diese Elektronik erhöht jedoch den Stromverbrauch, die Wärme, die Kosten und die Designkomplexität.

Die SerDes-Technologie hat sehr schnelle elektrische Schnittstellen ermöglicht, aber höhere Signalraten machen Kupferverbindungen zunehmend anfällig für Verlust, Reflexion, Übersprechen und Ausgleichskomplexität. Da sich KI-Systeme hin zu schnelleren Stromleitungen bewegen, wird die effektive Reichweite von Kupfer stärker vom Produkt und der Architektur abhängig.

Das bedeutet nicht, dass Kupfer verschwindet. Das bedeutet, dass Kupfer zunehmend dort eingesetzt wird, wo seine Stärken noch mit der räumlichen Entfernung übereinstimmen: kurze, streng kontrollierte elektrische Wege. Sobald sich die Verbindung über einige Meter hinaus erstreckt oder viele Verbindungen dicht in einem Rack- oder Cluster-System arbeiten müssen, werden optische Verbindungen attraktiver.

Die wichtigste Unterscheidung ist nicht abstrakt „Kupfer versus Faser“. Der eigentliche Unterschied besteht in der Verbindungsentfernung und der Systemschicht.

Innerhalb eines Schranks können GPUs und Switch-Chips über sehr kurze elektrische Wege kommunizieren. In Systemen wie GPU-Schränken mit hoher Dichte können viele interne Verbindungen elektrisch bleiben, da die physische Entfernung kurz ist. Aber Rack-zu-Rack-, Schrank-zu-Schrank- und Datencenter-Verbindungen schaffen ein anderes Problem. Diese Entfernungen sind länger, die Anzahl der Verbindungen ist höher und die Kosten des Signalverlusts werden auf Systemebene viel deutlicher sichtbar.

Kupfer kann immer noch für bestimmte Anwendungen mit kurzer Reichweite entwickelt werden. Glasfaser wird dann interessant, wenn die Architektur eine hohe Bandbreite über längere oder stärker verteilte Verbindungen erfordert.

Verbindungsleistung ist nicht nur ein Einzelposten in einer Komponentenspezifikation. Im Maßstab von KI-Rechenzentren können Tausende oder Millionen von Hochgeschwindigkeitsspuren die Verbindungsleistung zu einem großen Designhindernis machen. Aktive Kupferverbindungen, Retimer, Ausgleich und Wärmemanagement erhöhen den Druck auf das System.

Die letzte technische Frage ist nicht nur, ob ein Link funktionieren kann. Es geht darum, ob diese Verbindung im großen Maßstab innerhalb der Leistungs- und Wärmegrenzen einer dichten KI-Anlage funktionieren kann. Dies ist einer der Gründe, warum sich optische Verbindungen von einem Netzwerkthema zu einem Thema der KI-Infrastruktur entwickelt haben.

Kupfer- vs. Glasfaserverbindung in KI-Rechenzentren

Bei Glasfaserverbindungen wird zur Übertragung von Informationen Licht anstelle von elektrischem Strom verwendet. Das verschafft ihnen in KI-Rechenzentren mehrere Vorteile: hohe Bandbreite, große Reichweite, Immunität gegenüber elektromagnetischen Störungen und bessere Eignung für dichte Hochgeschwindigkeitsverbindungen über Distanzen.

Der Wert von Glasfaser wird besonders deutlich, wenn das System mehrere Racks, mehrere Schränke oder mehrere Datenhallen verbinden muss. Elektrische Kupfersignale werden mit zunehmender Entfernung und Geschwindigkeit schwächer. Optische Signale können viel weiter übertragen und gleichzeitig hohe Datenraten aufrechterhalten, sodass Glasfaser ideal für verteilte KI-Cluster geeignet ist.

WDModer Wellenlängenmultiplex ermöglicht die gleichzeitige Übertragung mehrerer optischer Wellenlängen durch dieselbe Faser. Jede Wellenlänge kann einen separaten Datenstrom übertragen. In der Praxis verwandelt WDM eine Faser in mehrere parallele optische Kanäle.

Dies ist einer der Gründe dafür, dass sich optische Verbindungen anders skalieren als Kupferverbindungen. Anstatt für jeden Verkehrspfad einen separaten physischen Leiter hinzuzufügen, können optische Systeme die Kapazität erhöhen, indem sie Wellenlängenkanäle, höhere Modulationsformate und schnellere optische Komponenten kombinieren.

WDM-Mehrwellenlängenübertragung in einer einzigen Faser

Die richtige technische Wahl hängt von Entfernung, Bandbreite, Kosten, Wartungsfreundlichkeit und thermischem Design ab. Kupfer bleibt in kurzen kontrollierten Verbindungen nützlich. Glasfaser wird immer wichtiger, da KI-Cluster nach außen skalieren.

Asteckbarer optischer Transceiverist ein Modul, das elektrische Signale in optische Signale und optische Signale zurück in elektrische Signale umwandelt. Eine Seite ist elektrisch mit einem Switch, einer Netzwerkschnittstelle oder einer Systemplatine verbunden. Die andere Seite ist mit Glasfaser verbunden.

In KI-Rechenzentren sind steckbare optische Module besonders wichtig für Verbindungen zwischen Schränken, Racks und Switches. Sie sind normalerweise nicht die Haupttechnologie für jede kurze Verbindung innerhalb eines GPU-Schranks. Diese Unterscheidung ist wichtig, weil sie einem häufigen Missverständnis vorbeugt: Optische Module ersetzen nicht automatisch die gesamte interne GPU-Verkabelung.

In einem GPU-Schrank mit hoher Dichte kann der Abstand zwischen GPUs, Schaltern und Platinen nur Zentimeter bis wenige Meter betragen. Gerade dort, wo das System als eng integrierte Einheit konzipiert ist, können elektrische Verbindungen dennoch sinnvoll sein.

Wenn der Datenverkehr den Schrank verlässt und zu einem anderen Rack, einem anderen Switch oder einem anderen Raum wechselt, ändern sich die Verbindungsanforderungen. Die Entfernung wird größer, die Anzahl der Verbindungen wächst und optische Module werden attraktiver.

Eine nützliche Möglichkeit, über die Hierarchie nachzudenken, ist:

Die Nachfragekette ist einfach. Mehr GPUs erfordern mehr Systeme. Je mehr Systeme, desto mehr Schränke sind erforderlich. Mehr Schränke erfordern mehr Hochgeschwindigkeitsverbindungen zwischen Schränken und Switches. Mit zunehmender Anzahl dieser Verbindungen steigt die Nachfrage nach optischen Modulen.

Aus diesem Grund sind optische Transceiver eng mit dem Wachstum der KI-Infrastruktur verknüpft. Das Modul ist nicht wertvoll, da es sich um eine eigenständige Box handelt. Dies ist wertvoll, da es das physische Netzwerk ermöglicht, das den Betrieb großer GPU-Cluster als ein System ermöglicht.

Ein steckbarer optischer Transceiver sieht von außen einfach aus, aber im Inneren vereint er Optik, Elektronik, Halbleiter, Verpackung und Präzisionsausrichtung. Die Hauptkomponenten sind Laser, Modulator, Fotodetektor, DSP und optisches Kopplungssystem.

In einem steckbaren optischen Transceiver

Die Laserdiode dient als Lichtquelle für das optische Signal. Es trägt die Daten nicht unbedingt selbst. Stattdessen entsteht ein stabiler optischer Träger, der moduliert werden kann.

Das Materialsystem ist wichtig. Silizium eignet sich hervorragend für die digitale Logik, ist jedoch kein effizienter Lichtemitter. Optische Laser verwenden üblicherweise III-V-Verbindungshalbleiter wie zInPoderGaAs, denn diese Materialien eignen sich viel besser zur Lichterzeugung.

In optischen Modulen und zugehörigen Systemen kommen mehrere Lasertypen vor:

Der Wandel von der herkömmlichen steckbaren Optik hin zur Siliziumphotonik und CPO verändert die Rolle des Lasers. In vielen steckbaren Modulen können Laser und Modulator eng integriert werden. Bei CPO-Designs kann der Laser als externe Lichtquelle außerhalb des Gehäuses sitzen, während die Modulation innerhalb des Silizium-Photonik-Chips erfolgt.

Der Modulator ist die Komponente, die einen leeren optischen Träger in ein datentragendes Signal umwandelt. Es nimmt den elektrischen Datenstrom und verändert das optische Signal so, dass Einsen und Nullen durch Lichtintensität oder Phasenverhalten dargestellt werden können.

Zwei wichtige Modulationsansätze sindEAMUndMZI.

Ein Elektroabsorptionsmodulator verändert, wie stark ein Material Licht absorbiert, wenn Spannung angelegt wird. Es kann mit einem Laser integriert werden, um ein EML zu bilden, das in herkömmlichen optischen Hochgeschwindigkeitsmodulen weit verbreitet ist.

Ein Mach-Zehnder-Interferometer-Modulator funktioniert anders. Es teilt das Licht in zwei Pfade auf, ändert die Phase in einem Pfad und kombiniert das Licht dann wieder. Abhängig von der Phasenbeziehung kann das rekombinierte Signal stärker oder schwächer werden. Dieser Ansatz ist in der Siliziumphotonik wichtig, da er mithilfe von Siliziumwellenleiterstrukturen implementiert werden kann.

Auf der Empfangsseite muss das optische Signal wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Das ist die Rolle des Fotodetektors.

Der Fotodetektor nutzt den fotoelektrischen Effekt: Eintreffende Photonen regen Ladungsträger im Halbleitermaterial an und erzeugen so Strom. Ein guter Fotodetektor muss schnell reagieren, aus schwacher optischer Leistung genügend Strom erzeugen und das Rauschen gering halten.

Drei Parameter sind besonders wichtig:

In der Siliziumphotonik wird Germanium häufig für die Fotodetektion verwendet, da Silizium selbst nicht in der Lage ist, gängige Telekommunikationswellenlängen wie 1310 nm und 1550 nm zu absorbieren. Dies ist ein Beispiel dafür, dass die Siliziumphotonik immer noch von einer sorgfältigen Materialintegration und nicht nur von reinem Silizium abhängt.

DerDSPist die digitale Signalverarbeitungs-Engine in vielen optischen Hochgeschwindigkeitsmodulen. Es hilft, das Signal zu kodieren, auszugleichen, wiederherzustellen und zu bereinigen.

Bei hohen Geschwindigkeiten sendet die optische Verbindung nicht nur einfache Ein-Aus-Impulse. Moderne Module werden häufig verwendetPAM4, was zwei Bits pro Symbol unter Verwendung von vier Signalpegeln darstellt. PAM4 verbessert die Bandbreiteneffizienz, macht das Signal aber auch empfindlicher gegenüber Rauschen und Verzerrungen. Der DSP hilft dabei, die beabsichtigten Daten aus diesem unvollständigen Signal wiederherzustellen.

Der Fahrplan für die Geschwindigkeit optischer Module hat sich von 400G auf 800G verschoben, wobei der Einsatz von 1,6T und Designs mit höheren Raten die Branche in Richtung schnellerer elektrischer und optischer Leitungen drängen. Die genaue Architektur hängt vom Moduldesign, der Spuranzahl, dem Modulationsschema und den Systemanforderungen ab, aber der Trend ist klar: Jede Generation übt mehr Druck auf DSP, Optik, Verpackung und Testprozess aus.

Die letzte kritische Funktion ist die optische Kopplung. Auf einem Chip erzeugtes oder verarbeitetes Licht muss mit sehr hoher Präzision in die Faser eintreten. Ein Singlemode-Faserkern ist nur etwa 8–9 Mikrometer breit, sodass die Kopplung ein Ausrichtungsproblem im Mikrometerbereich darstellt.

Zwei gängige Ansätze sind die Stoßkopplung und die Gitterkopplung.

Stoßkupplungsendet Licht direkt von der Chipkante in die Faser. Es kann effizient sein, aber die Ausrichtung ist anspruchsvoll.Gitterkupplungnutzt eine gemusterte Struktur auf der Chipoberfläche, um Licht in einen Wellenleiter hinein oder aus diesem heraus umzuleiten. Bei manchen Designs kann dies zu einer größeren Ausrichtungstoleranz führen, bringt aber auch Überlegungen zu Wellenlänge und Effizienz mit sich.

Im Produktionsmaßstab besteht die Herausforderung nicht nur darin, die optische Kopplung einmalig zu demonstrieren. Die Herausforderung besteht darin, dies wiederholt, zuverlässig und wirtschaftlich über große Volumina hinweg zu bewerkstelligen.

Ein optisches Modul kann als bidirektionales Übersetzungssystem verstanden werden. Beim Senden wandelt es elektrische Daten in optische Daten um. Beim Empfang wandelt es optische Daten wieder in elektrische Daten um.

Elektrisch-optisch-elektrischer Signalfluss

In Senderichtung sendet die GPU oder der Switch-ASIC ein elektrisches Signal an das optische Modul. Der DSP bereitet das Signal auf. Der Modulator überträgt die Informationen auf das Licht der Laserquelle. Koppeloptiken richten das Licht dann in der Faser aus.

In Empfangsrichtung verlässt Licht die Faser und wird auf den Fotodetektor gerichtet. Der Fotodetektor wandelt das optische Signal in Strom um. Anschließend stellt der DSP die Daten wieder her, korrigiert Verzerrungen und sendet ein nutzbares elektrisches Signal zurück an das System.

Diese elektrisch-optisch-elektrische Umwandlung ist die Grundlage für steckbare optische Verbindungen.

Optische Module vereinen zwei Halbleiterwelten, die auf natürliche Weise nicht miteinander verschmelzen.

Die erste ist die digitale Siliziumwelt. DSPs sind ICs auf Siliziumbasis. Sie basieren auf fortschrittlichem CMOS-Design, digitaler Signalverarbeitung und elektrischen Hochgeschwindigkeitsschnittstellen.

Die zweite ist die optische Welt der Verbindungshalbleiter. Laser, viele Modulatoren und einige Fotodetektoren basieren auf Materialien wie InP und GaAs. Diese Materialien werden verwendet, weil sie im Gegensatz zu Silizium effizient Licht erzeugen, modulieren oder detektieren können.

Silizium-DSP vs. Herstellung optischer InP-Chips

Ein DSP ist im Grunde ein digitaler Chip. Es befasst sich mit Symbolen, Codierung, Korrektur, Entzerrung und Signalwiederherstellung. Seine Hindernisse sind die Komplexität des Algorithmus, das Hochgeschwindigkeits-Mixed-Signal-Design und die fortschrittliche Siliziumimplementierung.

Dies liegt näher an der Welt der CPUs, GPUs, Switches und Netzwerk-ASICs als an der Welt der Laserfertigung. Die Designteams, Prozessabläufe und Fertigungspartner unterscheiden sich daher von denen, die für optische Verbindungshalbleitergeräte verwendet werden.

Optische InP- und GaAs-Geräte gehören zu einem anderen Prozessökosystem. Die Wafer sind kleiner, die Materialien verhalten sich anders, die Prozesschemie ist anders und die optische Leistung hängt stark von Epitaxie, Defektkontrolle und Gerätestruktur ab.

Eine führende Siliziumgießerei ist nicht automatisch ein führender InP-Laserhersteller. Die Ausrüstung, Rezepte, Materialkenntnisse und Ertragsherausforderungen sind unterschiedlich. Dies ist einer der Gründe, warum die Lieferketten für optische Verbindungen stärker verteilt sind als die GPU-Lieferketten.

Das Substrat ist das Grundmaterial, auf dem das optische Gerät aufgebaut ist. Bei InP-basierten Lasern ist die Materialqualität von entscheidender Bedeutung, da Defekte das darüber gewachsene optische Gerät beeinträchtigen können.

Unter Epitaxie versteht man den Prozess des Aufwachsens funktioneller Schichten auf dem Substrat. In Lasergeräten können diese Schichten Quantentopfstrukturen umfassen, in denen Elektronen und Löcher rekombinieren, um Photonen zu emittieren. Schichtdicke, Zusammensetzung und Dotierung müssen streng kontrolliert werden. Kleine Abweichungen können die Wellenlänge verschieben, die Effizienz verringern oder die Zuverlässigkeit beeinträchtigen.

Aus diesem Grund ist die Herstellung von Verbindungshalbleitern nicht einfach eine „Chipherstellung mit einem anderen Material“. Es handelt sich um eine Spezialdisziplin für die Herstellung optischer Geräte.

Siliziumphotonik PICDie Technologie nutzt siliziumbasierte Strukturen, um Licht auf einem integrierten Chip zu leiten, zu modulieren, zu teilen, zu kombinieren und zu erkennen. Dies ist wichtig, weil es optische Funktionen näher an die Fertigungs- und Verpackungswelt fortschrittlicher Elektronik bringt.

Ein Silizium-Photonik-PIC bedeutet nicht, dass jede optische Funktion allein aus Silizium besteht. Silizium kann Licht leiten und kompakte Wellenleiter, Modulatoren und Integrationsschemata unterstützen. Da Silizium jedoch keine effiziente Lichtquelle ist, bleiben externe oder separat integrierte III-V-Laser wichtig.

Die Siliziumphotonik nutzt häufig SOI oder Silizium-auf-Isolator als Plattform. Vereinfacht ausgedrückt stellt SOI eine Siliziumschicht bereit, die durch eine isolierende Oxidschicht vom Substrat getrennt ist. Der hohe Brechungsindexkontrast zwischen Silizium und Siliziumdioxid trägt dazu bei, das Licht in kompakten Siliziumwellenleitern einzuschließen.

Diese Wellenleiter wirken wie optische Drähte auf dem Chip. Sie leiten Licht zwischen Modulatoren, Splittern, Kopplern, Detektoren und anderen optischen Strukturen.

Die wichtigste Einschränkung ist die Lichterzeugung. Silizium ist für die Manipulation von Licht nützlich, als Lasermaterial ist es jedoch ineffizient. Aus diesem Grund stützen sich Silizium-Photoniksysteme häufig auf InP-basierte Laserquellen.

Diese Arbeitsteilung ist von zentraler Bedeutung für die CPO-Architektur. Der Silizium-Photonik-PIC kann in der Nähe des ASIC sitzen und Wellenleitung, Modulation und Erkennung übernehmen. Der Laser kann als externe Lichtquelle außerhalb des Gehäuses verbleiben und kontinuierlich Licht in den photonischen Chip einspeisen.

Mitverpackte Optik, oderCPO, rückt optische Funktionen näher an den Switch-ASIC, die an die GPU angrenzende Rechenarchitektur oder die Elektronik auf Paketebene heran. Anstatt jede optische Konvertierungsfunktion in einem steckbaren Modul auf der Rückseite eines Systems zu platzieren, integriert CPO optische Engines viel näher am Chip.

NVIDIA beschreibt seinen CPO-Switch-Ansatzals Ersatz steckbarer Transceiver durch Silizium-Photonik auf demselben Gehäuse wie der ASIC. Broadcom beschreibt seine CPO-Ethernet-Switch-Architektur in ähnlicher Weise als Integration optischer Engines in ein gemeinsames Paket mit dem Switch. Der technische Zweck besteht darin, die elektrische Distanz zu verkürzen, die Belastung durch elektrische Hochgeschwindigkeitssignale zu verringern und die Energieeffizienz bei hoher Bandbreitendichte zu verbessern.

Eine vereinfachte CPO-Architektur umfasst vier Hauptblöcke:

CPO-Architektur mit Silizium-Photonik-PIC und externer Laserquelle

Der architektonische Wandel ist die Lage der optischen Schnittstelle. In einem steckbaren Modul werden elektrische Signale vom Chip oder der Platine zum Modul übertragen. Bei CPO rückt die optische Schnittstelle näher an das ASIC-Paket heran. Dieser kürzere elektrische Pfad ist der Hauptgrund dafür, dass CPO für KI-Netzwerke mit sehr hoher Dichte attraktiv ist.

CPO eliminiert Laser nicht. Es verändert, wo sie sitzen und was sie tun.

Externe Laserquellen können die Silizium-Photonik-Engine kontinuierlich mit Licht versorgen und bleiben dabei außerhalb des heißesten und komplexesten Teils des Gehäuses. Dies trägt zur Wartungsfreundlichkeit und zum thermischen Design bei. Wenn der Laser außerhalb des Gehäuses aufbewahrt wird, kann er als austauschbare optische Stromquelle und nicht als untrennbarer Teil des ASIC-Gehäuses behandelt werden.

Die Laserquelle basiert immer noch häufig auf III-V-Materialien wie InP. Die Silizium-Photonik kann optisches Routing und Modulation in die Nähe des ASIC bringen, benötigt aber dennoch eine geeignete Lichtquelle.

CPO ist nicht als universeller Ersatz für steckbare Optiken zu verstehen. Die beiden Architekturen bedienen unterschiedliche Schichten des Rechenzentrumsnetzwerks.

Die realistischere Zukunft ist das Zusammenleben. Steckbare Optiken werden bei vielen Rechenzentrumsverbindungen weiterhin wichtig bleiben. CPO wird dort wachsen, wo Bandbreitendichte und Stromdruck am größten sind.

Der stärkste technische Treiber für CPO ist nicht, dass es „neu“ ist. Es ist so, dass elektrische Hochgeschwindigkeitsstrecken mit zunehmender Bandbreitendichte immer teurer werden. Die Verlagerung der optischen Umwandlung näher an den ASIC reduziert die Länge des schwierigsten elektrischen Pfads.

Dies kann den Bedarf an komplexer elektrischer Neusteuerung verringern, die Signalintegrität verbessern, die Verbindungsleistung verringern und dichtere Switch-Systeme unterstützen. CPO erhöht jedoch auch die Bedeutung der optischen Verpackung, der Laserquellenstrategie, des thermischen Designs und der Testkomplexität.

Eine steckbare optische Architektur hält das Modul physisch vom ASIC getrennt. Das elektrische Signal muss über die Platine wandern, um das Modul zu erreichen. Bei sehr hohen Geschwindigkeiten erfordert dieser Abstand eine sorgfältige Kanalgestaltung und häufig eine aktive Signalkonditionierung.

CPO ändert dieses Gleichgewicht. Durch die Platzierung optischer Motoren in der Nähe des ASIC wird der elektrische Abstand vor der Umwandlung in Licht verringert. Der optische Pfad überträgt das Signal dann über Glasfaser, wo die Entfernungsskalierung günstiger ist.

Die vom Anbieter gemeldeten CPO-Leistungszahlen sind produktspezifisch und sollten im Kontext der jeweiligen Switch-Architektur interpretiert werden. Die öffentlichen CPO-Materialien von NVIDIA beschreiben eine verbesserte Netzwerkstabilität und eine nachhaltige Anwendungslaufzeit im Vergleich zu Designs, die auf steckbaren Transceivern basieren.Broadcom gibt an, dass sein Tomahawk 6 Davisson CPO Ethernet-SwitchBietet eine Switching-Kapazität von 102,4 Tbit/s und reduziert den Stromverbrauch optischer Verbindungen im Vergleich zu herkömmlichen steckbaren Lösungen um 70 %.

Diese Behauptungen sind wichtige Signale, aber sie sollten nicht verallgemeinert werden in dem Sinne: „Alle CPO-Systeme liefern immer den gleichen Nutzen.“ Der tatsächliche Nutzen hängt von der Switch-Architektur, dem Design der optischen Engine, der Verbindungstopologie, dem thermischen Design und der Bereitstellungsumgebung ab.

Optische Verbindungen basieren auf einer Kette spezialisierter Technologien. Ein Mangel oder ein Ertragsproblem in einer Schicht kann die Verfügbarkeit des endgültigen Moduls oder Systems einschränken.

Die Lieferkette kann in Schichten verstanden werden:

Verbindungshalbleitersubstrate sind der Ausgangspunkt für viele optische Geräte. InP und GaAs werden verwendet, weil ihre Materialeigenschaften die Lichterzeugung und -detektion auf eine Weise unterstützen, die Silizium nicht kann.

Qualitativ hochwertige Substrate sind unerlässlich, da sich Defekte in die Geräteschichten ausbreiten und die Leistung oder Zuverlässigkeit beeinträchtigen können. Für die Optik von KI-Rechenzentren ist dies wichtig, da Hochgeschwindigkeitsmodule und CPO-Lichtquellen eine stabile, wiederholbare optische Leistung erfordern.

SOI-Wafer sind wichtig für die Siliziumphotonik, da sie die Plattform für kompakte optische Wellenleiter und integrierte photonische Strukturen bieten. Sie sind nicht der einzige Faktor in der Siliziumphotonik, aber sie sind ein grundlegender Input.

Die Bedeutung von SOI nimmt zu, da sich die Siliziumphotonik von spezialisierten optischen Geräten hin zu hochvolumigen Verbindungsarchitekturen für Rechenzentren verlagert.

Die digitale IC-Schicht bleibt unverzichtbar. Auch wenn CPO die Rolle langer elektrischer Pfade reduziert, benötigen optische Systeme immer noch Treiber-ICs, Steuerlogik und Signalverarbeitungsintelligenz. In steckbaren Modulen kann der DSP eine der komplexesten und teuersten Komponenten sein. Bei CPO können einige Signalverarbeitungsfunktionen vereinfacht werden, die elektrisch-photonische Koordination bleibt jedoch von entscheidender Bedeutung.

CPO wird oft als optische Technologie beschrieben, ist aber auch eine Verpackungstechnologie. Der Photonenmotor, die elektrischen ICs, die Faserschnittstellen, die Laserquelle und der Wärmepfad müssen als System zusammenarbeiten.

Auch die Prüfung ist schwieriger als bei einem rein elektrischen Gerät. Ingenieure müssen sowohl die optische als auch die elektrische Leistung validieren: optische Leistung, Kopplungsverlust, Modulationsverhalten, Empfängerempfindlichkeit, Signalintegrität, thermisches Verhalten und Verbindungszuverlässigkeit. Im großen Maßstab sind daher Verpackung und Tests genauso wichtig wie das Chip-Design.

Marktdaten zeigen, warum die Kapazität optischer Verbindungen von strategischer Bedeutung geworden ist, die technische Argumentation hängt jedoch immer noch von der Bandbreitendichte, dem Leistungsbudget, der Reichweite, der Machbarkeit der Unterbringung und der Systemzuverlässigkeit ab. Prognosen können auf Nachfragedruck hinweisen, sie beweisen jedoch nicht, dass jede optische Architektur mit der gleichen Geschwindigkeit skaliert.

LightCounting berichtete über den Umsatz mit optischen Transceivern und damit verbundenen Produktenerreichte im Jahr 2025 23,8 Milliarden US-Dollar, ein Anstieg von 55 % gegenüber 2024. Dieses Wachstum spiegelt die starke Nachfrage nach der Bereitstellung von Rechenzentrums- und KI-Infrastrukturen wider, insbesondere nach Hochgeschwindigkeits-Ethernet-Optik und verwandten Produkten.

Dies bedeutet nicht, dass jede Kategorie optischer Module gleichermaßen wächst. Es zeigt, dass die optisch-elektrische Grenze mit der Ausweitung der KI-Cluster zu einem wichtigen Investitionsbereich für die Infrastruktur geworden ist.

Goldman Sachs Research hat eine Prognose abgegebendass der gesamte adressierbare Markt für KI-Netzwerke bis 2028 um das Neunfache auf 154 Milliarden US-Dollar wachsen könnte, wobei CPO einen großen Teil dieser Chance beisteuern wird. Solche Zahlen sollten am besten als szenariobasierte Marktschätzungen und nicht als direkter Beweis dafür betrachtet werden, dass jede CPO-Architektur im gleichen Tempo übernommen wird.

Wichtiger als die Schlagzeile ist die Erkenntnis aus der Technik: Da KI-Systeme immer dichter und verteilter werden, steigt der Wert der Verbindungsschicht. CPO, Siliziumphotonik, externe Laser, optische Module, Fasern und Verpackungen gewinnen alle an Bedeutung, da sie direkt im Weg der KI-Datenbewegung stehen.

Optische Verbindungen sind wichtig, weil KI-Cluster verteilte Systeme sind. Je mehr GPUs und Switches ein System nutzt, desto wichtiger wird die Datenbewegung.

Kupfer bleibt für kurze, kontrollierte elektrische Pfade nützlich, es wird jedoch schwieriger, es über längere Hochgeschwindigkeitsverbindungen zu skalieren. Glasfaser bietet Reichweite, Bandbreite, EMI-Immunität und WDM-basierte Kapazitätsskalierung.

Steckbare optische Module sind nach wie vor von zentraler Bedeutung für die Vernetzung von Rechenzentren. Sie bieten eine flexible und wartungsfreundliche Möglichkeit, Racks, Switches und Systeme zu verbinden. Sie werden nicht verschwinden, nur weil CPO entsteht.

CPO ist eine architektonische Änderung, nicht nur ein kleineres optisches Modul. Es rückt die optische Konvertierung näher an den ASIC heran und verwendet häufig Silizium-Photonik-PICs und externe Laserquellen. Sein Wert ist dort am stärksten, wo Bandbreitendichte und Leistungsdruck am stärksten sind.

Die Siliziumphotonik ist eine Brücke zwischen Elektronik und Optik, macht aber Verbindungshalbleiter-Lichtquellen nicht überflüssig. InP-Laser, SOI-Wafer, photonische Integration, Kopplung, Verpackung und Tests bleiben alle Teil des Systems.

Die Lieferkette für optische Verbindungen ist verteilt. Keine einzelne Technologieschicht entscheidet über den Erfolg. Materialien, Epitaxie, Laser, DSPs, Siliziumphotonik, Verpackung, Tests, Module und Faserinfrastruktur müssen alle zusammen skaliert werden.

Optische Verbindungen sind Hochgeschwindigkeits-Datenverbindungen, die Licht nutzen, um Informationen zwischen GPUs, Switches, Racks und Rechenzentrumssystemen zu übertragen. Sie helfen KI-Clustern dabei, Daten über größere Entfernungen und höhere Bandbreiten auszutauschen, als Kupferkabel in großem Maßstab effizient unterstützen kann.

Glasfaser ersetzt Kupfer nicht überall. Kupfer bleibt für kurze interne Links nützlich. Glasfaser wird für Rack-to-Rack-, Switch-to-Switch- und Cluster-Scale-Verbindungen immer attraktiver, da sie eine größere Reichweite, hohe Bandbreite, EMI-Immunität und bessere Skalierbarkeit durch optisches Multiplexing bietet.

Ein steckbarer optischer Transceiver umfasst typischerweise eine Laserquelle, einen Modulator, einen Fotodetektor, einen DSP und optische Kopplungskomponenten. Zusammen wandeln diese Teile elektrische Signale in optische Signale für die Glasfaserübertragung um und wandeln dann empfangene optische Signale wieder in elektrische Daten um.

Steckbare Optiken sind austauschbare Module, die am Systemrand installiert werden. CPO rückt optische Engines näher an das ASIC-Paket heran. Bei steckbaren Optiken stehen Wartungsfreundlichkeit und Flexibilität im Vordergrund, während CPO auf kürzere elektrische Pfade, eine höhere Bandbreitendichte und einen geringeren Leistungsdruck in ausgewählten Verbindungen mit hoher Dichte abzielt.

Siliziumphotonik kann Licht leiten, spalten, modulieren und erkennen, aber Silizium ist als Lichtquelle ineffizient. Für die Bereitstellung optischer Leistung werden weiterhin InP-Laser benötigt, insbesondere in Architekturen, in denen ein Silizium-Photonik-PIC die Modulation und Weiterleitung übernimmt, während ein externer Laser kontinuierliches Licht liefert.

Es ist unwahrscheinlich, dass CPO die steckbare Optik in allen Rechenzentrumsverbindungen ersetzen wird. Die beiden Architekturen adressieren unterschiedliche Schichten. CPO eignet sich für die optische Integration mit hoher Chipdichte oder auf Switch-Ebene, während steckbare Optiken weiterhin für viele Rack-, Switch- und Rechenzentrumsverbindungen nützlich sind.