Der globale Chiphersteller TSMC (TSM.US) setzt stark auf Silizium-Photonik-Chips, die nächste Generation der Spitzentechnologie in der Chipherstellung, um das Leistungswachstum anzukurbeln und generative künstliche Intelligenzanwendungen wie ChatGPT leistungsfähiger zu machen. Siliziumphotonik ist ein aufstrebendes Technologiefeld, das Siliziumchips mit optischer Technologie kombiniert.
TSMC ist die weltweit größte Vertrags-Chipgießerei und ist derzeit in der Lage, die fortschrittlichsten Chips für künstliche Intelligenz (KI) auf dem Markt zu produzieren, darunter Nvidia A100/H100-Chips. Douglas Yu, Geschäftsführer von TSMC, sagte, das Unternehmen versuche derzeit, die Leistung von KI-Chips weiter zu verbessern.
„Wenn wir ein gutes integriertes Silizium-Photonik-System bereitstellen können ... können wir die Schlüsselprobleme in Bezug auf Energieeffizienz und Rechenleistung (Leistung) künstlicher Intelligenz lösen“, sagte Douglas Yu auf einem Forum vor der Eröffnung der Taiwan Semiconductor Industry Expo in China am 5. September. „Dies wird ein neuer Paradigmenwechsel sein. Wir stehen möglicherweise am Beginn einer neuen Ära.“
Yu sagte, der Treiber für ein besseres, stärker integriertes Silizium-Photoniksystem sei die immense Rechenleistung, die für die Ausführung großer Sprachmodelle (LLMs) erforderlich sei – die Technologie, die KI-Chatbots (wie ChatGPT und Google Bard) und anderen Computeranwendungen für künstliche Intelligenz zugrunde liegt.
Medienberichten zufolge hat TSMC ein Forschungs- und Entwicklungsteam von etwa 200 Mitarbeitern zusammengestellt, um im nächsten Jahr die bevorstehenden Geschäftsmöglichkeiten für photonische Ultrahochgeschwindigkeitschips auf Siliziumbasis zu erschließen. Das Unternehmen treibt nicht nur die Silizium-Photonik-Chip-Technologie aktiv voran, sondern kooperiert auch mit Großkunden wie Broadcom und Nvidia, um gemeinsam Anwendungsszenarien rund um diese Technologie zu entwickeln. Medienberichten zufolge zielt diese Kooperation darauf ab, die nächste Generation von Silizium-Photonik-Chips herzustellen. Die entsprechenden Prozesse können 45 nm bis 7 nm abdecken und werden voraussichtlich bereits in der zweiten Hälfte des Jahres 2024 mit der Anwendung in Terminals beginnen.
Die Annäherung des Mooreschen Gesetzes an die Grenze hat weitgehend dazu geführt, dass die Leistungssteigerung herkömmlicher elektronischer Chips verlangsamt wurde. Photonische Chips aus Silizium bieten eine auf Lichttechnologie basierende Lösung zur Leistungssteigerung, die den Ausbau der Chipleistung trotz der Einschränkungen der Nanometer-Prozesstechnologie beschleunigt.
Da Innovation und Entwicklung im globalen Chipbereich in die „Post-Moore-Ära“ eintreten, sind CPUs, die die Entwicklung der menschlichen Gesellschaft maßgeblich vorangetrieben haben, nicht mehr in der Lage, in weniger als 5 Jahren schnelle Durchbrüche auf der „Wide-nm“-Ebene wie 22 nm bis 10 nm zu erzielen. Nachfolgende Durchbrüche auf nm-Ebene stehen vor vielen Hindernissen wie extrem hohen Herstellungskosten und technischen Schwierigkeiten beim Quantentunneln.
Mit dem Aufkommen der KI-Ära bedeutet dies jedoch, dass die Nachfrage nach globaler Rechenleistung explosionsartig wächst und die Nachfrage nach extrem leistungsstarken Chips nur noch zunehmen wird. Dadurch haben Silizium-Photonik-Chips, die optische Technologie und siliziumbasierte integrierte Schaltkreise kombinieren, auch im Bereich der Chipherstellung zunehmend an Bedeutung gewonnen.
Die Silizium-Photonik-Technologie ist eine Technologie, die optische Komponenten wie Lasergeräte mit integrierten Schaltkreisen auf Siliziumbasis integriert, um eine Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung, längere Übertragungsentfernungen und einen geringen Stromverbrauch durch Licht statt elektrischer Signale zu erreichen. Darüber hinaus sorgt es für eine geringere Latenz.
Die Siliziumphotonik ist zu einem Bereich intensiver Investitionen in der Chipherstellungsindustrie geworden, und viele Technologieunternehmen haben ihre potenziellen Einsatzmöglichkeiten im Auge, von Rechenzentren, Supercomputern und Netzwerkgeräten bis hin zu autonomen, fahrerlosen Autos und Verteidigungsradarsystemen. Die Silizium-Photonik-Technologie wird derzeit in Bereichen wie optischer Kommunikation und optischer Sensorik eingesetzt, wobei der Schwerpunkt auf der Übertragung, Verarbeitung und Steuerung optischer Signale liegt. Zu den typischen Anwendungen gehören die Verbindung von Rechenzentren, Hochleistungsrechnen, Glasfaserkommunikation usw.
Daher haben photonische Siliziumchips ein erhebliches Potenzial für Anwendungsszenarien mit hoher Bandbreite und geringem Stromverbrauch wie Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikation und Rechenzentrumsverbindungen. Da die Durchdringungsrate von Cloud-Computing-Diensten auf Basis von KI-Technologie und generativen KI-Anwendungen von ChatGPT zunimmt, steigt die Nachfrage nach Rechenleistung, und Silizium-Photonik-Chips könnten in diesen Bereichen eine wichtige Rolle spielen.
Technologiegiganten wie Intel, Cisco und IBM entwickeln seit langem ihre eigenen Silizium-Photonik-Lösungen und Silizium-Photonik-Systeme.
Nvidia, derzeit das wertvollste Chipunternehmen der Welt, verfügt derzeit über den größten Markt für Chips, die Beschleuniger für Rechenzentrumsserver zur Entwicklung/Ausführung großer Sprachmodelle antreiben. Das US-Unternehmen hatte zuvor den Anbieter von Glasfaser-Verbindungstechnologie Mellanox übernommen.
Prognosedaten der International Semiconductor Industry Association (SEMI) zeigen, dass der weltweite Markt für Silizium-Photonik-Halbleiter bis 2030 voraussichtlich 7,86 Milliarden US-Dollar erreichen wird, wobei die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate voraussichtlich 25,7 % erreichen wird, ein deutlicher Anstieg gegenüber nur 1,26 Milliarden US-Dollar im Jahr 2022.
Die Prognosedaten von Mordor Intelligence, einem bekannten Forschungsinstitut, sind relativ konservativ. Die Marktgröße für Siliziumphotonik wird im Jahr 2023 voraussichtlich 1,49 Milliarden US-Dollar betragen. Die Agentur prognostiziert, dass sie bis 2028 4,54 Milliarden US-Dollar erreichen wird, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 24,98 % im Prognosezeitraum (2023–2028).
Die Agentur stellte fest, dass die Siliziumphotonik ein sich entwickelnder Zweig der Photonik ist, der gegenüber elektrischen Leitern in Halbleiterprodukten, die in Hochgeschwindigkeitsübertragungssystemen verwendet werden, deutliche Vorteile bietet. Die Technologie verspricht, die Übertragungsgeschwindigkeit auf 100 Gbit/s zu steigern, und Technologieunternehmen wie IBM, Intel und Kothura haben die Technologie genutzt, um Durchbrüche zu erzielen. Darüber hinaus hat die Technologie die Halbleiterindustrie revolutioniert und verspricht eine ultraschnelle Datenübertragung und -verarbeitung.
Douglas Yu, Geschäftsführer von TSMC, sagte, dass der Chiphersteller eine Chipherstellungstechnologie untersucht, die seine exklusiv entwickelte fortschrittliche Chipstapel- und Verpackungstechnologie nutzt, um integrierte Silizium-Photoniksysteme zu bauen. Fortschrittliches Chip-Packaging ist für mehrere der weltweit größten Chiphersteller – Intel, Samsung und TSMC – zu einem wichtigen Bereich von großem Interesse geworden, da ihnen fortschrittliche Chip-Packaging-Technologien wie 2,5D/3D dabei helfen, leistungsstärkere Chips zu entwickeln.
Aber Yu sagte auch, dass sich ein solches integriertes System, das Silizium-Photonik und verschiedene Arten von Chips kombiniert und verbindet und seine eigene fortschrittliche Chip-Packaging- und Stapeltechnologie nutzt, noch in der Entwicklung und Testproduktion befinde und noch nicht in die Massenproduktion im großen Maßstab übergegangen sei.
Tien Wu, CEO von ASE Semiconductor (ASX.US), einem der weltweit größten Chip-Packaging- und Testdienstleister, vertritt eine ähnliche Ansicht. Er sagte, dass eine neue Methode zur Verpackung und Integration der Silizium-Photonik-Technologie eine entscheidende Rolle bei der Lösung eines der größten Engpässe des Rechenleistungssystems der nächsten Generation spielen werde.
Zu den aktuellen gängigen Silizium-Photonik-Verpackungstechnologien gehören die folgenden: Vertical Integration Packaging, Co-Packaged Optics (CPO), Fiber Attach Packaging, Waveguide-Based Packaging und Glass Substrate Packaging.
Unter ihnen ist die CPO-Technologie ein Bereich der Verpackungstechnologie, auf den sich globale Chiphersteller konzentrieren. Hierbei handelt es sich um eine hochintegrierte Methode zur gemeinsamen Verpackung optischer und elektronischer Komponenten in einem Gehäuse. Dies trägt dazu bei, den Abstand zwischen Optik und Elektronik zu verringern und die Energieeffizienz und Leistung der Rechenzentrumsverbindungen zu verbessern. Branchenanalysten sagten, dass der CPO-Markt bereits im Jahr 2024 ein explosionsartiges Wachstum verzeichnen dürfte, da Chipgiganten wie TSMC, Intel, NVIDIA und Broadcom sukzessive Silizium-Photonik-Chips und die entscheidende Co-Packaged-Optics-Technologie (CPO) entwickelt haben.
Ein kürzlich veröffentlichter Forschungsbericht von Sphericalinsights, einem bekannten Forschungsinstitut, zeigt, dass der weltweite Markt für gemeinsam verpackte Optiken von 2022 bis 2032 voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 68,9 % wachsen wird.
Sphericalinsights wies darauf hin, dass Siliziumchip-Plattformen in der Branche weithin als die vielversprechendste groß angelegte Silizium-Photonik-Integrationsplattform angesehen werden, während gemeinsam verpackte Optiken weithin als ideal für potenzielle Rechenzentrumsverbindungen gelten. Co-Packaged Optics (CPOs) oder In-Package Optics (IPO) sind komplexe Hybridkombinationen aus optischen Geräten und siliziumbasierten Geräten auf einer einzigen Verpackungsplattform mit dem Ziel, Bandbreiten- und Stromverbrauchsprobleme der nächsten Generation zu lösen.
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