Alles über Micro LED CPO auf einen Blick

Im Bereich der optischen Kommunikation gibt es wieder ein neues "Hype-Thema".

Kurz vor kurzem hat eine Forschungsstudie mit dem Titel "Micro LED CPO öffnet neue Perspektiven für die Datenzentrum-Verbindung" die Aufmerksamkeit der gesamten Branche und des Kapitalmarktes erregt.

Die Studie weist darauf hin, dass Micro LED CPO die revolutionären Vorteile von hoher Bandbreite, niedrigem Stromverbrauch und Miniaturisierung bietet und den Gesamtstromverbrauch der optischen Module um das 20-fache reduzieren kann. Branchenexperten haben auch vorhergesagt, dass diese Technologie das Architekturdesign von Datenzentren neu definieren wird und möglicherweise in den nächsten Jahren einen technologischen Innovationssturm auslösen wird.

Unter dem Einfluss dieser Nachricht haben die Aktien von Micro LED-Konzernen am 5. März kollektiv stark zugenommen. Unter den ersten 10 Aktien in der Aufwärtstrendliste waren 7 "Optoelektronik"-Aktien, die stark im Kurs gestiegen sind.

Was genau ist also Micro LED CPO? Ist es wirklich so beeindruckend? In diesem Artikel wird Herr Dattelaub Ihnen eine eingehende Analyse liefern.

Micro LED CPO = Micro LED + CPO

Micro LED CPO ist eigentlich die Kombination von Micro LED und CPO, d. h. die tiefe Integration von mikrometergroßen Leuchtdioden (Micro LED) und der Common Packaging Optics-Technologie (CPO).

Micro LED und CPO sind keine neuen Begriffe. Lassen Sie uns zunächst CPO besprechen.

Vor einigen Jahren hat Herr Dattelaub Ihnen bereits eine Einführung in CPO gegeben (Was genau ist NPO/CPO?). Das Wesen von CPO besteht darin, die optischen Module (optische Motoren) von der Außenseite des Switches in das Herz des Switches zu verlagern und sie mit dem AISC-Switch-Chip zu verpacken.

Auf diese Weise kann die Entfernung des "elektrischen Kanals (rote Linie in der obigen Abbildung)" zwischen dem optischen Modul und dem Switch-Chip verkürzt werden, wodurch die HF-Signalabschwächung und die elektromagnetische Störung, die elektrische Signale leicht erleiden, erheblich unterdrückt werden können.

Der "elektrische Kanal" ist seit langem der Hauptfaktor, der die Verbindungsgeschwindigkeit begrenzt. Wenn die Geschwindigkeit 1,6 Tbps überschreitet, nähert sich das herkömmliche Steckmodul für optische Module der physikalischen Grenze, die Signalintegrität verschlechtert sich rapide, die Fehlerrate steigt sprunghaft an und die Wärmeableitung und der Stromverbrauch nehmen exponentiell zu.

In den letzten Jahren hat die CPO-Technologie rapide entwickelt und hat bereits in die Phase der Massenproduktion und kommerziellen Nutzung eingetreten. Der Kapitalmarkt hat auch frühzeitig reagiert, und die Aktien von Unternehmen im Zusammenhang mit dieser Technologie haben seit 2024 einen deutlichen Anstieg gezeigt.

Echtbild von CPO

Schauen wir uns nun Micro LED an. Tatsächlich ist der aktuelle Hype um Micro LED CPO hauptsächlich auf Micro LED zurückzuführen.

Was denken Sie, wenn Sie das erste Mal von Micro LED hören? Natürlich an Monitore. Seit langem verwenden die Flüssigkristallanzeigen, die wir nutzen, Technologien wie LCD und LED.

Micro LED ist eine fortschrittlichere LED-Technologie. "Micro" bedeutet "winzig". Micro LED ist eine Selbstleuchtpixel-Array-Technologie, bei der die LEDs auf weniger als 5 Mikrometer verkleinert werden. Jeder Pixel wird unabhängig angesteuert, es gibt keine Hintergrundbeleuchtung und die Ansprechzeit liegt im Nanosekundenbereich.

Was Micro LED aus dem Labor in die Öffentlichkeit gebracht hat, ist das berühmte Apple Vision Pro. Kurz gesagt, wurde Micro LED ursprünglich für AR/VR entwickelt.

Später haben Experten festgestellt, dass die mikrometergroßen Pixelgröße, die Nanosekunden-Ansprechzeit und die extrem hohe Lichtausbeute von Micro LED genau die ideale Lichtquelle für die optische Verbindung bieten - eine kleinere Leuchtfläche, eine niedrigere Ansteuerspannung und eine höhere Modulationsbandbreite können die Effizienz der Erzeugung von optischen Signalen um eine Größenordnung steigern.

Optische Module, über die Herr Dattelaub Ihnen bereits erklärt hat, sind im Wesentlichen für das Senden und Empfangen von Licht sowie die Umwandlung von optischen und elektrischen Signalen zuständig.

Aufbau eines optischen Moduls

Herkömmliche optische Module verwenden Kantenemissionslaser (EEL) oder Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser (VCSEL). Diese Laser haben eine große Größe und hohen Stromverbrauch, und ihre Modulationseffizienz und Energieeffizienz können nicht mehr den Anforderungen der Zeit entsprechen.

VCSEL-Laser

Obwohl das Siliziumphotonik-Konzept die Integrationsdichte in gewissem Maße verbessern kann, gibt es auch Probleme bei der Kopplungseffizienz der Lichtquelle und der Ausbeute auf Waferebene.

Wie Sie wissen, wächst die KI explosive, und der Bedarf an der Errichtung von Rechenzentren für KI ist sehr hoch. In Rechenzentren für KI gibt es große Rechenleistungskluster, die eine schnelle, verzögerungsarme und energieeffiziente Verbindung zwischen Chips erfordern.

Das Kupferkabel-Konzept von NVIDIA basiert vollständig auf elektrischen Signalen, hat einen extrem hohen Kosten- und Stromverbrauch und eine sehr kurze Übertragungsdistanz (einige Meter).

Bei den optischen Verbindungskonzepten mit herkömmlichen Lasern ist auch der Stromverbrauch pro Modul sehr hoch. In einem großen Datenzentrum macht der Stromverbrauch der optischen Module allein mehr als 25 % des Gesamtverbrauchs aus, was sich stark auf die Gesamteffizienz und die Kosten auswirkt.

Die Entstehung von Micro LED bietet eine bessere Lösung.

Neueste Forschungsdaten zeigen, dass bei einem optischen Kommunikationsprodukt mit 1,6 Tbps der Stromverbrauch herkömmlicher optischer Module bis zu 30 W beträgt. Wenn das Micro LED CPO-Konzept eingesetzt wird, kann der Gesamtstromverbrauch um mehr als 95 % auf etwa 1,6 W gesenkt werden.

Es gibt auch Daten von Institutionen, die zeigen, dass bei einem optischen Verbindungskonzept auf der Grundlage von Micro LED der Stromverbrauch pro Kanal auf 1/10 des herkömmlichen VCSEL-Konzepts und 1/5 des Siliziumphotonik-Konzepts gesenkt werden kann, während die Integrationsdichte des optischen Motors um mehr als das 3-fache gesteigert werden kann.

Dies ist eine sehr beeindruckende Steigerung der Energieeffizienz, die den Stromverbrauch und die Wärmeableitung in Rechenzentren für KI erheblich reduzieren und die Betriebskosten deutlich senken kann.

Bei einem Cluster von 100.000 GPU-Karten kann, wenn alle Verbindungen zwischen den Racks das Micro LED CPO-Konzept verwenden, jährlich 15 Millionen Kilowattstunden Strom eingespart werden, was einer Reduzierung von etwa 12.000 Tonnen CO2-Emissionen entspricht.

Warum ist Micro LED so leistungsstark?

Warum bringt Micro LED, obwohl es nur eine andere Lichtquelle ist, so große Verbesserungen?

Analysieren wir dies aus der untersten Ebene der Prinzipien.

Ein herkömmlicher Laser ist wie ein "großer Scheinwerfer". Micro LED ist eine Anordnung von Hunderten oder sogar Tausenden von "miniaturisierten Taschenlampen".

Micro LED-Sendearray

Diese Micro LEDs haben eine Größe von weniger als 50 Mikrometern und können mit CMOS-Ansteuerschaltungen integriert und verpackt werden, um eine höhere Dichte paralleler optischer Emissionen zu ermöglichen.

Jede Micro LED entspricht einem unabhängigen Datenkanal, was die Geschwindigkeitsanforderungen pro Kanal verringert. Es wird nur ein extrem niedriger Ansteuerstrom im μA (Mikroampere)-Bereich benötigt, und die einfache Direktmodulation NRZ wird verwendet (ohne zusätzlichen Modulator). Beispielsweise kann ein Array von 128 Micro LEDs mit einer Geschwindigkeit von 4 Gbps pro Kanal eine Bandbreite von über 400 Gbps erreichen.

Die von dem Micro LED-Array gesendeten optischen Signale werden durch eine spezielle Linse kollimiert und fokussiert und dann in eine Multikern-Bildfaser eingekoppelt, um eine parallele Übertragung zu ermöglichen.

Am Empfangsende wird das Licht durch ein CMOS-integriertes PD (Photodetektor)-Array wieder in elektrische Signale umgewandelt. Der gesamte Prozess erfordert keine komplizierte WDM (Wellenlängenmultiplex) oder schnelle SerDes, und der Stromverbrauch wird direkt auf 80 fJ/bit gesenkt (Sendeseite, ohne FEC-Vorwärtsfehlerkorrektur). (fJ = Femtojoule, 1 Femtojoule = 10^{-15} Joule.)

Im Vergleich dazu sind herkömmliche Laser größer (Millimetergröße), haben einen hohen Laserschwellenstrom, der Ansteuerstrom beträgt in der Regel über 200 mA und es ist ein leistungsstarker TIA (Transimpedanzverstärker) und ein DSP (Digitaler Signalprozessor-Chip) erforderlich. Der Energieverbrauch liegt in der Regel über 1,2 pJ/bit (pJ = Pikojoule, 1 Pikojoule = 1000 Femtojoule). Selbst bei Verwendung des Siliziumphotonik-Konzepts beträgt der Energieverbrauch 400 fJ/bit.

Micro LED hat eine extrem hohe Ladungsträgerrekombinationseffizienz, und bei der Erzeugung von Photonen gibt es fast keine Wärmeverluste. Es hat eine schnellere Ansprechzeit, eine höhere Modulationseffizienz und eine um mehr als das 3-fache gesteigerte Photonenausnutzung. Darüber hinaus ist es ausgezeichnet kompatibel mit der CMOS-Technologie und ermöglicht die monolithische Integration von optischen Bauelementen mit hoher Dichte, wodurch die parasitären Verluste und die Wärmewiderstandsbeschränkungen, die durch die mehrstufige Verpackung herkömmlicher optischer Module verursacht werden, vollständig vermieden werden.

Micro LED hat einen breiteren Betriebstemperaturbereich und kann von -40 °C bis 125 °C stabil arbeiten (bei einer hohen Temperatur von 85 °C kann es noch über 90 % des Lichtausgangs aufrechterhalten), ohne dass eine TEC-Temperaturregelung erforderlich ist.

Herkömmliche Laser zeigen bei Temperaturen über 85 °C eine deutliche Wellenlängenverschiebung und Effizienzabnahme und müssen auf eine leistungsstarke thermoelektrische Kühlung angewiesen sein.

Micro LED und die CPO-Architektur sind ein perfektes Paar. Die Eigenschaft von Micro LED, wenig Wärme zu erzeugen, löst genau das Problem der Wärmeableitung, das durch die hohe Integrationsdichte von CPO verursacht wird. Die extrem kurze elektrische Verbindung, die von CPO bereitgestellt wird, kann das Potenzial der Nanosekunden-Modulation von Micro LED voll ausnutzen.

In der Vergangenheit musste CPO aufgrund der begrenzten Modulationsbandbreite von VCSEL und der Schwierigkeiten bei der Wärmeverwaltung ständig zwischen Geschwindigkeit, Stromverbrauch und Verpackungsdichte kompromissieren. Heute kann Micro LED mit einer niedrigeren Ansteuerspannung, einem geringeren Wärmewiderstand und einer höheren Photonenkonversionseffizienz das physikalische Potenzial der CPO-Architektur wirklich entfesseln.

Viele Leute in der Branche bezeichnen "herkömmliche Laser + CPO" als CPO 1.0, während "Micro LED + CPO" als CPO 2.0 definiert wird. Es ist nicht nur eine physikalische Verschiebung der Verbindungarchitektur, sondern auch ein Paradigmenwechsel bei der Optoelektronik und der System-Level-Design.