Interconexiones ópticas para centros de datos de inteligencia artificial: desde módulos ópticos enchufables hasta ópticas envasadas

Interconexiones ópticas para centros de datos de IAson enlaces de datos de alta velocidad que utilizan la luz para mover información entre GPU, conmutadores, bastidores y sistemas de centros de datos. Son importantes porque los grandes clústeres de IA necesitan más que potencia informática bruta: también necesitan un movimiento de datos de gran ancho de banda, baja latencia y eficiencia energética entre muchos dispositivos.

Durante los últimos años, la mayoría de los debates sobre infraestructura de IA se han centrado en las GPU. Ese enfoque es comprensible, porque las GPU proporcionan la computación paralela necesaria para el entrenamiento y la inferencia a gran escala. Pero un clúster de GPU no es sólo un montón de aceleradores. Es un sistema informático distribuido, y los sistemas distribuidos están limitados no sólo por la rapidez con la que cada procesador puede calcular, sino también por la rapidez con la que los datos pueden moverse entre procesadores.

Cuando miles de GPU funcionan juntas, la interconexión se convierte en parte del propio sistema informático. Si la ruta de datos entre GPU, conmutadores y bastidores no puede mantenerse al día, los costosos aceleradores pasan más tiempo esperando y menos tiempo computando. En ese sentido, la interconexión óptica no es un tema de redes periféricas. Es una de las capas físicas que determina si los grandes sistemas de IA pueden utilizar su computación instalada de manera efectiva.

El entrenamiento de IA es el lugar más fácil para ver el problema. Un modelo grande puede contener una enorme cantidad de parámetros, mucho más allá de lo que una sola GPU puede contener o procesar de manera eficiente. La carga de trabajo se divide entre muchos aceleradores. Cada GPU calcula parte de la tarea y luego intercambia resultados intermedios con otras GPU. Ese intercambio puede ocurrir repetidamente durante el entrenamiento, creando un intenso tráfico de este a oeste dentro del grupo de IA.

La inferencia también solía parecer más simple. En una generación anterior de aplicaciones de IA, era razonable imaginar que una consulta fuera manejada por una pequeña cantidad de GPU. La inferencia moderna avanza hacia un razonamiento más complejo, un contexto más amplio, recuperación, uso de herramientas, planificación y flujos de trabajo agentes. En estos casos, es posible que el sistema necesite coordinar más recursos informáticos en más pasos. El resultado es que la inferencia también puede convertirse en una carga de trabajo sensible a la interconexión, especialmente cuando la implementación atiende a muchos usuarios a escala.

La lección práctica es sencilla: una vez que las cargas de trabajo de IA requieren que muchos procesadores actúen como un solo sistema,Ancho de banda de interconexión de GPUse convierte en parte de la ecuación de rendimiento.

El entrenamiento y la inferencia ejercen una presión diferente sobre la red, pero ambos dependen del movimiento de datos.

Durante el entrenamiento, las GPU intercambian gradientes, activaciones, parámetros y datos intermedios. Cuanto más distribuido sea el modelo y más grande sea el clúster, más críticos se vuelven la sincronización y el intercambio de datos. Durante la inferencia, la presión depende del diseño de la carga de trabajo. La simple inferencia de solicitud-respuesta puede no estresar tanto a la red como el entrenamiento, pero el razonamiento de varios pasos, la recuperación y la ejecución agente pueden aumentar la comunicación entre los nodos informáticos, los sistemas de almacenamiento y los grupos de aceleradores.

Es por eso que las interconexiones ópticas se han vuelto fundamentales para la arquitectura de los centros de datos de IA. El desafío ya no es sólo cómo construir chips más rápidos. También se trata de cómo conectar esos chips de manera que se mantenga un ancho de banda alto, una distancia manejable, una latencia baja y un consumo de energía bajo control.

El cobre todavía ocupa un lugar importante en los sistemas de inteligencia artificial. Para rutas eléctricas muy cortas dentro de un servidor, chasis o gabinete estrechamente integrado, el cobre puede ser eficiente, útil y rentable. El problema aparece cuando el mismo enfoque basado en el cobre se impulsa hacia velocidades de carril más altas, enlaces más largos y topologías de clúster más grandes.

A alta velocidad, los enlaces de cobre enfrentan tres limitaciones interconectadas: integridad de la señal, alcance y potencia. Cuanto mayor sea la velocidad de datos, más difícil será enviar señales eléctricas limpias a distancia. El cobre pasivo suele limitarse a enlaces cortos. Las soluciones de cobre activo pueden ampliar el alcance agregando componentes electrónicos, pero esos componentes electrónicos añaden energía, calor, costo y complejidad de diseño.

La tecnología SerDes ha permitido interfaces eléctricas de muy alta velocidad, pero velocidades de señalización más altas hacen que los enlaces de cobre sean cada vez más sensibles a la pérdida, la reflexión, la diafonía y la complejidad de la ecualización. A medida que los sistemas de IA avanzan hacia carriles eléctricos más rápidos, el alcance efectivo del cobre depende más del producto y de la arquitectura.

Esto no significa que el cobre desaparezca. Esto significa que el cobre se utiliza cada vez más allí donde sus puntos fuertes aún coinciden con la distancia física: caminos eléctricos cortos y estrictamente controlados. Una vez que el enlace se extiende más allá de unos pocos metros, o una vez que muchos enlaces deben operar densamente en un sistema a escala de rack o de clúster, los enlaces ópticos se vuelven más atractivos.

La distinción más importante no es “cobre versus fibra” en abstracto. La verdadera distinción es la distancia del enlace y la capa del sistema.

Dentro de un gabinete, las GPU y los chips de conmutación pueden comunicarse a través de rutas eléctricas muy cortas. En sistemas como los gabinetes de GPU de alta densidad, muchos enlaces internos pueden seguir siendo eléctricos porque la distancia física es corta. Pero los enlaces de rack a rack, de gabinete a gabinete y de escala de centro de datos crean un problema diferente. Esas distancias son más largas, el número de enlaces es mayor y el costo de la pérdida de señal se vuelve mucho más visible a nivel del sistema.

El cobre todavía se puede diseñar para aplicaciones específicas de corto alcance. La fibra se vuelve atractiva cuando la arquitectura requiere un gran ancho de banda en conexiones más largas o más distribuidas.

La energía de interconexión no es solo una línea en la especificación de un componente. A escala de centro de datos de IA, miles o millones de carriles de alta velocidad pueden convertir la potencia del enlace en una importante limitación de diseño. Los enlaces de cobre activos, los retemporizadores, la ecualización y la gestión térmica añaden presión al sistema.

La última cuestión de ingeniería no es sólo si un enlace puede funcionar. Se trata de si ese vínculo puede funcionar a escala, dentro de la envolvente energética y térmica de una instalación de IA densa. Esta es una de las razones por las que las interconexiones ópticas han pasado de ser un tema de redes a un tema de infraestructura de IA.

Interconexión de cobre versus fibra en centros de datos de IA

Los enlaces de fibra óptica utilizan luz en lugar de corriente eléctrica para transportar información. Eso les brinda varias ventajas en los centros de datos de IA: alto ancho de banda, largo alcance, inmunidad a la interferencia electromagnética y mejor idoneidad para enlaces densos de alta velocidad a distancia.

El valor de la fibra es especialmente claro cuando el sistema debe conectar múltiples racks, múltiples gabinetes o múltiples salas de datos. Las señales eléctricas de cobre se degradan con la distancia y la velocidad. Las señales ópticas pueden viajar mucho más lejos manteniendo altas velocidades de datos, lo que hace que la fibra sea una opción natural para los grupos de IA distribuidos.

WDM, o multiplexación por división de longitud de onda, permite que múltiples longitudes de onda ópticas viajen a través de la misma fibra al mismo tiempo. Cada longitud de onda puede transportar un flujo de datos independiente. En términos prácticos, WDM convierte una fibra en múltiples canales ópticos paralelos.

Esta es una de las razones por las que los enlaces ópticos escalan de manera diferente a los enlaces de cobre. En lugar de agregar un conductor físico separado para cada ruta de tráfico, los sistemas ópticos pueden aumentar la capacidad combinando canales de longitud de onda, formatos de modulación más altos y componentes ópticos más rápidos.

Transmisión WDM de múltiples longitudes de onda en una sola fibra

La elección de ingeniería correcta depende de la distancia, el ancho de banda, el costo, la capacidad de servicio y el diseño térmico. El cobre sigue siendo útil en enlaces cortos controlados. La fibra se vuelve cada vez más importante a medida que los grupos de IA crecen.

Atransceptor óptico enchufablees un módulo que convierte señales eléctricas en señales ópticas y señales ópticas nuevamente en señales eléctricas. Un lado se conecta eléctricamente a un interruptor, interfaz de red o placa del sistema. El otro lado se conecta a fibra óptica.

En los centros de datos de IA, los módulos ópticos conectables son especialmente importantes para los enlaces entre gabinetes, bastidores y conmutadores. Por lo general, no son la tecnología principal para cada enlace corto dentro de un gabinete de GPU. Esa distinción es importante porque evita un malentendido común: los módulos ópticos no reemplazan automáticamente todo el cableado interno de la GPU.

Dentro de un gabinete de GPU de alta densidad, la distancia entre las GPU, los conmutadores y las placas puede ser de sólo centímetros a una pequeña cantidad de metros. Los enlaces eléctricos todavía pueden tener sentido allí, especialmente cuando el sistema está diseñado como una unidad estrechamente integrada.

Cuando el tráfico sale del gabinete y se mueve a otro rack, otro conmutador u otra sala, los requisitos del enlace cambian. La distancia se hace más larga, el número de enlaces crece y los módulos ópticos se vuelven más atractivos.

Una forma útil de pensar en la jerarquía es:

La cadena de demanda es simple. Más GPU requieren más sistemas. Más sistemas requieren más gabinetes. Más gabinetes requieren más interconexión de alta velocidad entre gabinetes y conmutadores. A medida que aumenta el número de estos enlaces, aumenta la demanda de módulos ópticos.

Esta es la razón por la que los transceptores ópticos se han vinculado estrechamente al crecimiento de la infraestructura de IA. El módulo no tiene valor porque es una caja independiente. Es valioso porque habilita la red física que permite que grandes clústeres de GPU funcionen como un solo sistema.

Un transceptor óptico enchufable parece sencillo desde fuera, pero internamente combina óptica, electrónica, semiconductores, embalaje y alineación de precisión. Los componentes principales son el láser, el modulador, el fotodetector, el DSP y el sistema de acoplamiento óptico.

Dentro de un transceptor óptico enchufable

El diodo láser proporciona la fuente de luz para la señal óptica. No necesariamente transporta los datos por sí solo. En cambio, produce una portadora óptica estable que puede modularse.

El sistema material importa. El silicio es excelente para la lógica digital, pero no es un emisor de luz eficiente. Los láseres ópticos suelen utilizar semiconductores compuestos III-V comoentradaoGaAs, porque estos materiales son mucho más adecuados para generar luz.

Varios tipos de láser aparecen en módulos ópticos y sistemas relacionados:

El cambio de la óptica enchufable tradicional hacia la fotónica de silicio y el CPO cambia el papel del láser. En muchos módulos enchufables el láser y el modulador pueden estar estrechamente integrados. En los diseños de estilo CPO, el láser puede ubicarse fuera del paquete como fuente de luz externa, mientras que la modulación ocurre dentro del chip fotónico de silicio.

El modulador es el componente que convierte una portadora óptica en blanco en una señal portadora de datos. Toma el flujo de datos eléctricos y cambia la señal óptica para que los unos y los ceros puedan representarse mediante la intensidad de la luz o el comportamiento de fase.

Dos enfoques de modulación importantes sonEAMyMZI.

Un modulador de electroabsorción cambia la fuerza con la que un material absorbe la luz cuando se aplica voltaje. Se puede integrar con un láser para formar un EML, que se usa ampliamente en módulos ópticos convencionales de alta velocidad.

Un modulador de interferómetro Mach-Zehnder funciona de manera diferente. Divide la luz en dos caminos, cambia la fase en un camino y luego recombina la luz. Dependiendo de la relación de fase, la señal recombinada puede volverse más fuerte o más débil. Este enfoque es importante en la fotónica del silicio porque puede implementarse utilizando estructuras de guías de ondas de silicio.

En el extremo receptor, la señal óptica debe volver a convertirse en una señal eléctrica. Ésa es la función del fotodetector.

El fotodetector utiliza el efecto fotoeléctrico: los fotones entrantes excitan a los portadores en el material semiconductor, creando corriente. Un buen fotodetector debe responder rápidamente, generar suficiente corriente a partir de una potencia óptica débil y mantener el ruido bajo.

Tres parámetros importan especialmente:

En la fotónica del silicio, el germanio se utiliza a menudo para la fotodetección porque el silicio en sí no es eficaz para absorber longitudes de onda comunes en las telecomunicaciones, como 1310 nm y 1550 nm. Este es un ejemplo de cómo la fotónica del silicio todavía depende de una cuidadosa integración de materiales, no sólo del silicio puro.

ElDSPes el motor de procesamiento de señales digitales dentro de muchos módulos ópticos de alta velocidad. Ayuda a codificar, ecualizar, recuperar y limpiar la señal.

A altas velocidades, el enlace óptico no se limita a enviar simples impulsos de encendido y apagado. Los módulos modernos suelen utilizarPAM4, que representa dos bits por símbolo utilizando cuatro niveles de señal. PAM4 mejora la eficiencia del ancho de banda, pero también hace que la señal sea más sensible al ruido y la distorsión. El DSP ayuda a recuperar los datos deseados de esa señal imperfecta.

La hoja de ruta de velocidad del módulo óptico ha pasado de 400G a 800G, con una implementación de 1,6T y diseños de mayor velocidad que empujan a la industria hacia carriles eléctricos y ópticos más rápidos. La arquitectura exacta depende del diseño del módulo, el número de carriles, el esquema de modulación y los requisitos del sistema, pero la tendencia es clara: cada generación ejerce más presión sobre el DSP, la óptica, el empaquetado y el proceso de prueba.

La última función crítica es el acoplamiento óptico. La luz generada o procesada en un chip debe entrar en la fibra con una precisión muy alta. Un núcleo de fibra monomodo tiene sólo entre 8 y 9 micrómetros de ancho, por lo que el acoplamiento es un problema de alineación a escala micrométrica.

Dos enfoques comunes son el acoplamiento a tope y el acoplamiento de rejilla.

acoplamiento a topeenvía luz directamente desde el borde del chip a la fibra. Puede ser eficiente, pero la alineación es exigente.Acoplamiento de rejillautiliza una estructura estampada en la superficie del chip para redirigir la luz dentro o fuera de una guía de ondas. Puede proporcionar una mayor tolerancia de alineación en algunos diseños, pero también introduce consideraciones de eficiencia y longitud de onda.

A escala de producción, el desafío no es simplemente demostrar el acoplamiento óptico una vez. El desafío es hacerlo de manera repetida, confiable y económica en grandes volúmenes.

Un módulo óptico puede entenderse como un sistema de traducción bidireccional. Al transmitir, convierte datos eléctricos en datos ópticos. Al recibirlo, convierte los datos ópticos nuevamente en datos eléctricos.

Flujo de señal eléctrica-óptica-eléctrica

En la dirección de transmisión, la GPU o el conmutador ASIC envía una señal eléctrica hacia el módulo óptico. El DSP condiciona la señal. El modulador impone la información a la luz de la fuente láser. La óptica de acoplamiento luego alinea esa luz con la fibra.

En la dirección de recepción, la luz sale de la fibra y se dirige al fotodetector. El fotodetector convierte la señal óptica en corriente. Luego, el DSP recupera los datos, corrige la distorsión y envía una señal eléctrica utilizable al sistema.

Esta conversión eléctrico-óptica-eléctrica es la base de las interconexiones ópticas enchufables.

Los módulos ópticos combinan dos mundos de semiconductores que no se fusionan de forma natural.

El primero es el mundo digital del silicio. Los DSP son circuitos integrados basados ​​en silicio. Se basan en un diseño CMOS avanzado, procesamiento de señales digitales e interfaces eléctricas de alta velocidad.

El segundo es el mundo óptico de semiconductores compuestos. Los láseres, muchos moduladores y algunos fotodetectores dependen de materiales como InP y GaAs. Estos materiales se utilizan porque pueden generar, modular o detectar luz de manera eficiente de una manera que el silicio no puede.

Fabricación de chips ópticos DSP de silicio frente a InP

Un DSP es fundamentalmente un chip digital. Se ocupa de símbolos, codificación, corrección, ecualización y recuperación de señales. Sus barreras son la complejidad algorítmica, el diseño de señales mixtas de alta velocidad y la implementación avanzada de silicio.

Esto está más cerca del mundo de las CPU, GPU, conmutadores y ASIC de red que del mundo de la fabricación láser. Por lo tanto, los equipos de diseño, los flujos de procesos y los socios de fabricación son diferentes de los utilizados para los dispositivos ópticos semiconductores compuestos.

Los dispositivos ópticos de InP y GaAs pertenecen a un ecosistema de proceso diferente. Las obleas son más pequeñas, los materiales se comportan de manera diferente, la química del proceso es diferente y el rendimiento óptico depende en gran medida de la epitaxia, el control de defectos y la estructura del dispositivo.

Una fundición de silicio líder no es automáticamente un fabricante líder de láseres InP. Los desafíos de equipo, recetas, conocimiento de materiales y rendimiento son diferentes. Ésta es una de las razones por las que las cadenas de suministro de interconexión óptica están más distribuidas que las cadenas de suministro de GPU.

El sustrato es el material base sobre el que se construye el dispositivo óptico. Para los láseres basados ​​en InP, la calidad del material es fundamental porque los defectos pueden afectar el dispositivo óptico que se encuentra encima.

La epitaxia es el proceso de crecimiento de capas funcionales sobre el sustrato. En los dispositivos láser, estas capas pueden incluir estructuras de pozos cuánticos, donde los electrones y los agujeros se recombinan para emitir fotones. El espesor de la capa, la composición y el dopaje deben controlarse estrictamente. Pequeñas desviaciones pueden cambiar la longitud de onda, reducir la eficiencia o perjudicar la confiabilidad.

Esta es la razón por la que la fabricación de semiconductores compuestos no es simplemente “fabricación de chips con un material diferente”. Es una disciplina especializada en la fabricación de dispositivos ópticos.

PIC de fotónica de silicioLa tecnología utiliza estructuras basadas en silicio para guiar, modular, dividir, combinar y detectar la luz en un chip integrado. Es importante porque acerca las funciones ópticas al mundo de la fabricación y embalaje de la electrónica avanzada.

Un PIC de fotónica de silicio no significa que todas las funciones ópticas estén hechas únicamente de silicio. El silicio puede guiar la luz y soportar guías de ondas compactas, moduladores y esquemas de integración. Pero el silicio no es una fuente de luz eficiente, por lo que los láseres III-V externos o integrados por separado siguen siendo importantes.

La fotónica de silicio a menudo utiliza SOI, o silicio sobre aislante, como plataforma. En términos simplificados, SOI proporciona una capa de silicio separada del sustrato por una capa de óxido aislante. El alto contraste del índice de refracción entre el silicio y el dióxido de silicio ayuda a confinar la luz dentro de guías de ondas de silicio compactas.

Estas guías de ondas actúan como cables ópticos en el chip. Dirigen la luz entre moduladores, divisores, acopladores, detectores y otras estructuras ópticas.

La limitación clave es la generación de luz. El silicio es útil para manipular la luz, pero es ineficiente como material láser. Es por eso que los sistemas fotónicos de silicio a menudo dependen de fuentes láser basadas en InP.

Esta división del trabajo es fundamental para la arquitectura CPO. El PIC de fotónica de silicio puede ubicarse cerca del ASIC y manejar la guía de ondas, la modulación y la detección. El láser puede permanecer fuera del paquete como fuente de luz externa, alimentando luz continua al chip fotónico.

Óptica empaquetada, oCPO, acerca las funciones ópticas al ASIC del conmutador, a la arquitectura informática adyacente a la GPU o a la electrónica a nivel de paquete. En lugar de colocar cada función de conversión óptica en un módulo enchufable en la parte posterior de un sistema, CPO integra motores ópticos mucho más cerca del chip.

NVIDIA describe su enfoque de cambio de CPOcomo reemplazar transceptores enchufables con fotónica de silicio en el mismo paquete que el ASIC. Broadcom describe de manera similar su arquitectura de conmutador Ethernet CPO como la integración de motores ópticos en un paquete común con el conmutador. El objetivo de la ingeniería es acortar la distancia eléctrica, reducir la carga de la señalización eléctrica de alta velocidad y mejorar la eficiencia energética con una alta densidad de ancho de banda.

Una arquitectura CPO simplificada incluye cuatro bloques principales:

Arquitectura CPO con PIC de fotónica de silicio y fuente láser externa

El cambio arquitectónico es la ubicación de la interfaz óptica. En un módulo enchufable, las señales eléctricas viajan desde el chip o placa hasta el módulo. En CPO, la interfaz óptica se acerca al paquete ASIC. Ese camino eléctrico más corto es la razón principal por la que el CPO es atractivo para redes de IA de muy alta densidad.

CPO no elimina los láseres. Cambia dónde se sientan y qué hacen.

Las fuentes láser externas pueden proporcionar luz continua al motor fotónico de silicio mientras permanecen fuera de la parte más caliente y compleja del paquete. Esto ayuda con la capacidad de servicio y el diseño térmico. Si el láser se mantiene fuera del paquete, puede tratarse como una fuente de energía óptica reemplazable en lugar de una parte inseparable del paquete ASIC.

La fuente láser todavía se basa habitualmente en materiales III-V como el InP. La fotónica de silicio puede acercar el enrutamiento óptico y la modulación al ASIC, pero aún necesita una fuente de luz adecuada.

El CPO no debe entenderse como un sustituto universal de las ópticas enchufables. Las dos arquitecturas sirven a diferentes capas de la red del centro de datos.

El futuro más realista es la convivencia. La óptica conectable seguirá siendo importante en muchos enlaces de centros de datos. El CPO crecerá donde la densidad del ancho de banda y la presión de la energía eléctrica sean más severas.

El factor de ingeniería más importante para el CPO no es que sea “nuevo”. Es que la distancia eléctrica de alta velocidad se vuelve cada vez más costosa a medida que aumenta la densidad del ancho de banda. Acercar la conversión óptica al ASIC reduce la longitud del camino eléctrico más difícil.

Esto puede reducir la necesidad de una reprogramación eléctrica compleja, mejorar la integridad de la señal, reducir la potencia del enlace y admitir sistemas de conmutación más densos. Sin embargo, el CPO también aumenta la importancia del empaquetado óptico, la estrategia de fuente láser, el diseño térmico y la complejidad de las pruebas.

Una arquitectura óptica conectable mantiene el módulo físicamente separado del ASIC. La señal eléctrica debe viajar a través del tablero para llegar al módulo. A velocidades muy altas, esa distancia requiere un diseño cuidadoso del canal y, a menudo, un acondicionamiento activo de la señal.

CPO cambia este equilibrio. Al colocar motores ópticos cerca del ASIC, se reduce la distancia eléctrica antes de la conversión en luz. Luego, la ruta óptica transporta la señal a través de fibra, donde la escala de distancia es más favorable.

Las cifras de rendimiento de CPO informadas por los proveedores son específicas del producto y deben interpretarse dentro del contexto de cada arquitectura de conmutador. Los materiales públicos de CPO de NVIDIA describen una resiliencia de red mejorada y un tiempo de ejecución de aplicaciones sostenido en comparación con los diseños basados ​​en transceptores conectables.Broadcom afirma que su conmutador Ethernet Tomahawk 6 Davisson CPOProporciona 102,4 Tbps de capacidad de conmutación y reduce el consumo de energía de interconexión óptica en un 70 % en comparación con las soluciones enchufables tradicionales.

Estas afirmaciones son señales importantes, pero no deben generalizarse diciendo que "todos los sistemas CPO siempre ofrecen el mismo beneficio". El beneficio real depende de la arquitectura del switch, el diseño del motor óptico, la topología del enlace, el diseño térmico y el entorno de implementación.

Las interconexiones ópticas dependen de una cadena de tecnologías especializadas. Un problema de escasez o rendimiento en una capa puede limitar la disponibilidad del módulo o sistema final.

La cadena de suministro se puede entender en capas:

Los sustratos semiconductores compuestos son el punto de partida de muchos dispositivos ópticos. Se utilizan InP y GaAs porque las propiedades de sus materiales favorecen la generación y detección de luz de una manera que el silicio no puede.

Los sustratos de alta calidad son esenciales porque los defectos pueden propagarse a las capas del dispositivo y reducir el rendimiento o la confiabilidad. Para la óptica de los centros de datos de IA, esto es importante porque los módulos de alta velocidad y las fuentes de luz CPO requieren un rendimiento óptico estable y repetible.

Las obleas SOI son importantes para la fotónica de silicio porque proporcionan la plataforma para guías de ondas ópticas compactas y estructuras fotónicas integradas. No son el único factor en la fotónica del silicio, pero son un insumo fundamental.

La importancia de SOI aumenta a medida que la fotónica de silicio pasa de dispositivos ópticos especializados a arquitecturas de interconexión de centros de datos de gran volumen.

La capa IC digital sigue siendo esencial. Incluso cuando el CPO reduce el papel de los caminos eléctricos largos, los sistemas ópticos aún necesitan circuitos integrados de controlador, lógica de control e inteligencia de procesamiento de señales. En los módulos enchufables, el DSP puede ser uno de los componentes más complejos y costosos. En CPO, algunas funciones de procesamiento de señales pueden simplificarse, pero la coordinación eléctrico-fotónica sigue siendo crítica.

El CPO suele describirse como una tecnología óptica, pero también es una tecnología de envasado. El motor fotónico, los circuitos integrados eléctricos, las interfaces de fibra, la fuente láser y la ruta térmica deben trabajar juntos como un sistema.

Las pruebas también son más difíciles que en un dispositivo puramente eléctrico. Los ingenieros deben validar el rendimiento óptico y eléctrico: potencia óptica, pérdida de acoplamiento, comportamiento de modulación, sensibilidad del receptor, integridad de la señal, comportamiento térmico y confiabilidad del enlace. A escala, esto hace que el empaquetado y las pruebas sean tan importantes como el diseño del chip.

Los datos del mercado muestran por qué la capacidad de interconexión óptica se ha vuelto estratégicamente importante, pero el caso de ingeniería aún depende de la densidad del ancho de banda, el presupuesto de energía, el alcance, la viabilidad del empaquetado y la confiabilidad del sistema. Los pronósticos pueden indicar presión de la demanda, pero no prueban que todas las arquitecturas ópticas crezcan a la misma velocidad.

LightCounting informó que las ventas de transceptores ópticos y productos relacionadosalcanzó los 23.800 millones de dólares en 2025, un 55% más que en 2024. Ese crecimiento refleja una fuerte demanda del despliegue de infraestructura de inteligencia artificial y centros de datos, especialmente óptica Ethernet de alta velocidad y productos relacionados.

Esto no significa que todas las categorías de módulos ópticos crezcan por igual. Muestra que la frontera óptico-eléctrica se ha convertido en un área importante de inversión en infraestructura a medida que se expanden los grupos de IA.

Goldman Sachs Research ha pronosticadoque el mercado total direccionable de redes de IA podría aumentar nueve veces a $ 154 mil millones para 2028, y CPO contribuiría con una parte importante de esa oportunidad. Es mejor tratar estas cifras como estimaciones de mercado basadas en escenarios en lugar de como evidencia directa de que cada arquitectura de CPO se adoptará al mismo ritmo.

La conclusión de ingeniería es más importante que el número principal: a medida que los sistemas de IA se vuelven más densos y distribuidos, el valor de la capa de interconexión aumenta. El CPO, la fotónica de silicio, los láseres externos, los módulos ópticos, la fibra y los embalajes se vuelven más importantes porque se encuentran directamente en el camino del movimiento de datos de la IA.

Las interconexiones ópticas son importantes porque los clústeres de IA son sistemas distribuidos. Cuantas más GPU y conmutadores utilice un sistema, más importante será el movimiento de datos.

El cobre sigue siendo útil para rutas eléctricas cortas y controladas, pero se vuelve más difícil de escalar a través de enlaces más largos de alta velocidad. La fibra proporciona alcance, ancho de banda, inmunidad EMI y escalamiento de capacidad basado en WDM.

Los módulos ópticos conectables siguen siendo fundamentales para las redes de centros de datos. Proporcionan una forma flexible y útil de conectar racks, conmutadores y sistemas. No desaparecerán simplemente porque esté surgiendo el CPO.

CPO es un cambio arquitectónico, no solo un módulo óptico más pequeño. Acerca la conversión óptica al ASIC, a menudo utilizando PIC fotónicos de silicio y fuentes láser externas. Su valor es mayor donde la densidad del ancho de banda y la presión de potencia son más severas.

La fotónica de silicio es un puente entre la electrónica y la óptica, pero no elimina la necesidad de fuentes de luz de semiconductores compuestos. Los láseres InP, las obleas SOI, la integración fotónica, el acoplamiento, el empaquetado y las pruebas siguen siendo parte del sistema.

Se distribuye la cadena de suministro de interconexión óptica. Ninguna capa tecnológica determina el éxito. Los materiales, la epitaxia, los láseres, los DSP, la fotónica de silicio, los embalajes, las pruebas, los módulos y la infraestructura de fibra deben ampliarse juntos.

Las interconexiones ópticas son enlaces de datos de alta velocidad que utilizan luz para mover información entre GPU, conmutadores, bastidores y sistemas de centros de datos. Ayudan a los clústeres de IA a intercambiar datos a distancias más largas y anchos de banda mayores que los que el cobre puede soportar de manera eficiente a escala.

La fibra no está reemplazando al cobre en todas partes. El cobre sigue siendo útil para enlaces internos cortos. La fibra se vuelve más atractiva para enlaces de bastidor a bastidor, de conmutador a conmutador y de escala de clúster porque proporciona un mayor alcance, un mayor ancho de banda, inmunidad EMI y una mejor escalabilidad a través de la multiplexación óptica.

Un transceptor óptico enchufable normalmente incluye una fuente láser, un modulador, un fotodetector, un DSP y componentes de acoplamiento óptico. Juntas, estas partes convierten señales eléctricas en señales ópticas para la transmisión por fibra y luego convierten las señales ópticas recibidas nuevamente en datos eléctricos.

Las ópticas enchufables son módulos reemplazables instalados en el borde del sistema. CPO acerca los motores ópticos al paquete ASIC. Las ópticas conectables priorizan la capacidad de servicio y la flexibilidad, mientras que CPO apunta a rutas eléctricas más cortas, mayor densidad de ancho de banda y menor presión de energía en enlaces seleccionados de alta densidad.

La fotónica del silicio puede guiar, dividir, modular y detectar la luz, pero el silicio es ineficiente como fuente de luz. Los láseres InP todavía son necesarios para proporcionar potencia óptica, especialmente en arquitecturas donde un PIC fotónico de silicio maneja la modulación y el enrutamiento mientras un láser externo suministra luz continua.

Es poco probable que CPO reemplace la óptica conectable en todos los enlaces del centro de datos. Las dos arquitecturas abordan capas diferentes. CPO es adecuado para la integración óptica de nivel de conmutador o de chip adyacente de alta densidad, mientras que las ópticas enchufables siguen siendo útiles para muchas interconexiones de bastidores, conmutadores y centros de datos.