microLEDs: von Scheinwerfern bis zum Rechenzentrum
Dank neuer optischer Verbindungstechnologie können Rechenzentren ihre Bandbreite, Effizienz und Zuverlässigkeit steigern
microLEDs: von Scheinwerfern bis zum Rechenzentrum
Wenn wir über die Entwicklung der KI-Technologie nachdenken, kommen uns sofort die Fortschritte im maschinellen Lernen und bei großen Sprachmodellen in den Sinn, ebenso wie die neuesten Grafikprozessoren (GPUs), Speicher mit hoher Bandbreite (HBM) und exotische Halbleitertechnologien wie Chiplets und heterogene Integration.
Aber Autoscheinwerfer?
Automobilbeleuchtung wird normalerweise nicht als Inspiration für die nächste große Sache in der KI angesehen. Interessanterweise beweisen jedoch hochtechnologische Frontscheinwerfer mit „adaptivem Lichtstrahl“ die Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit einer wertvollen optischen Verbindungstechnologie, die Betreibern von Rechenzentren helfen könnte, die heutigen Herausforderungen hinsichtlich steigender Netzwerkbandbreite, Effizienz und Zuverlässigkeit zu meistern.
Aber lassen Sie uns einen Schritt zurücktreten, um zu verstehen, inwiefern Scheinwerfer für die Technologie von KI-Rechenzentren relevant sein könnten.
Der Engpass bei der Datenübertragung
Die stark steigende Nachfrage nach KI – sowohl für das Training als auch für die Inferenz – setzt die Gerätehersteller unter enormen Druck, die Rechenkapazität ihrer Systeme zu erhöhen. Heute liegt der Hauptengpass eigentlich nicht in der Rechenfunktion, dank der hohen Leistung der Beschleuniger (sogenannte „xPU“-Geräte wie GPUs und neuronale Verarbeitungseinheiten, kurz NPUs), die KI-Dateneingaben mit erstaunlich hoher Geschwindigkeit verarbeiten. Das Problem ist die Geschwindigkeit, mit der Daten zwischen xPUs, zwischen einer xPU und dem Speicher sowie zwischen Servern in einem Rack übertragen werden können.
Herkömmliche elektrische Kupferverbindungen, die bekannt, kostengünstig und leicht in elektrische Schaltkreise zu integrieren sind, lassen sich nur schlecht skalieren: Über die für die Skalierung von KI-Rechensystemen erforderlichen Entfernungen – manchmal bis zu 30 m – benötigen Kupferverbindungen eine höhere Übertragungsenergie, eine stärkere Entzerrung und eine komplexere Signalaufbereitung, unter anderem um Probleme mit elektromagnetischen Störungen (EMI) zu überwinden. Dies wiederum führt dazu, dass Kupferverbindungen mehr Strom verbrauchen und mehr Wärme erzeugen. Dies behindert die Bemühungen der Gerätehersteller, die Bandbreitendichte (Gbit/s/mm) sowie die Systemeffizienz und -zuverlässigkeit zu steigern.
Um die Netzwerkbandbreite zu erhöhen, haben sich Rechenzentren daher der optischen Verbindungstechnologie zugewandt. Dazu haben sie Technologie aus dem Internet-Backbone übernommen: Die Unternehmen, die den Internetverkehr über eine begrenzte Anzahl von Unterseekabeln – deren Installation und Wartung sehr schwierig und kostspielig ist – zwischen den Kontinenten transportieren, haben die Kunst der Maximierung des Durchsatzes pro Kabel perfektioniert. Die heutigen interkontinentalen optischen Transportnetze verfügen über Verbindungen, die mit hohen Bandbreiten von bis zu 1,6 Tbit/s pro Kanal arbeiten.
Dies ist der „Fast-and-Narrow“-Ansatz zur Maximierung der Bandbreite: so viele Daten wie möglich so schnell wie möglich durch jede optische „Leitung“ zu schicken. Doch solche Hochfrequenzsysteme sind komplex, verbrauchen viel Strom und sind teuer. Zudem ist jede Verbindung ein äußerst kritischer Single Point of Failure, der ein hohes Risiko für die Systemverfügbarkeit darstellt. Und es ist unklar, wie weit die „Fast-and-Narrow“-Architektur noch skaliert werden kann, da jede weitere Steigerung der Geschwindigkeit und des Durchsatzes pro Lane exponentiell schwieriger und teurer in der Umsetzung wird.
In der Internetinfrastruktur bedeuten die hohen Verkabelungskosten, dass Betreiber keine andere Wahl haben, als den Datendurchsatz pro Kabel zu maximieren. Rechenzentren unterliegen jedoch nicht denselben Einschränkungen.
Von einem einzigen optischen Kanal zu Tausenden
Aus diesem Grund wächst in der Welt der Rechenzentren das Interesse an einem neuen Ansatz: Anstatt auf „schnell und schmal“ zu setzen, warum nicht auf „langsam und breit“? Das bedeutet, eine einzelne ultraschnelle Verbindung durch Hunderte oder Tausende langsamerer paralleler optischer Kanäle zu ersetzen, um eine höhere Gesamtbandbreite zu erzielen und dabei einfachere, kostengünstigere Komponenten mit geringerer Geschwindigkeit zu verwenden.
In einem solchen System können die Datensender aus Hunderten von Micro-LEDs bestehen, die die einzelne, leistungsstarke Laserlichtquelle ersetzen, die in der Internetinfrastruktur verwendet wird. Hersteller von Datenkommunikationsgeräten haben bisher noch keine parallelen optischen Kanäle mit Hunderten oder Tausenden von Micro-LED-Sendern aufgebaut, sodass dieses „Slow-and-Wide“-Konzept in Rechenzentren noch unbewiesen ist.
Eine „Slow-and-Wide“-Architektur erfordert die Möglichkeit, Hunderte von optischen Emittern sehr nahe an den Datenprozessoren und Datenspeicherkomponenten eines Servers anzubringen. Und da die Nachfrage nach KI niemals schläft, benötigen Rechenzentrumsbetreiber diese Miniatur-Emittoren, um einen zuverlässigen Betrieb rund um die Uhr an 365 Tagen im Jahr zu gewährleisten. Der Einsatz von Chip-Scale-Arrays mit Tausenden von Micro-LEDs hat sich jedoch im anspruchsvollen Automobilmarkt bewährt – und genau hier kann der Autoscheinwerfer den Herstellern von Rechenzentrumsausrüstung als Inspiration dienen.
Genau diese Fähigkeiten zeigen sich in der microLED-Technologie der EVIYOS™-Lichtquelle von ams OSRAM für adaptive Scheinwerfer.
Abb. 1: Im Produkt EVIYOS integriert ams OSRAM das microLED-Array und die Ansteuerschaltung in einem einzigen kompakten Gehäuse
Ein einzelner EVIYOS-Chip enthält eine Anordnung von 25.600 Micro-LEDs, von denen jede etwa halb so groß ist wie ein menschliches Haar, und ist zusammen mit einem CMOS-Treiberchip in einem einzigen Gehäuse mit den Maßen von nur 22,0 mm x 17,5 mm integriert. Jedes der 25.600 „Pixel“ ist einzeln steuerbar, sodass der Scheinwerfer komplexe Muster auf die Fahrbahn projizieren kann. Die einzigartige Integrationstechnologie zwischen Micro-LEDs und CMOS-Treiber wurde als „Digital Light“ mit dem Deutschen Zukunftspreis ausgezeichnet, und darauf basierende Produkte haben sich in aktuellen Serienfahrzeugen als zuverlässig und robust erwiesen.
Nun wird dieselbe Technologie für den Einsatz in optischen Verbindungen mit extrem hoher Bandbreite für KI-Rechenzentren angepasst.
Bewährte Mikro-Emitter-Technologie
Für den Einsatz in optischen Verbindungen wird eine ähnliche Fertigungstechnologie wie bei Scheinwerfern verwendet; während die Micro-LEDs bei Scheinwerfern jedoch in dichten monolithischen Arrays angeordnet sind, werden sie für Datenverbindungen einzeln ausgegliedert – also von dem Wafer, auf dem sie hergestellt wurden, abgetrennt – und auf einem Substrat montiert, damit jeder Emitter an sein eigenes Glasfaserkabel oder seinen eigenen Wellenleiter angeschlossen werden kann. Dieses Substrat kann dann auf einem Ziel-CMOS-Wafer montiert werden.
Abb. 2: Herstellung von Micro-LEDs für optische Hochgeschwindigkeitsverbindungen
Da die Micro-LEDs so klein sind, können darauf basierende Datenkommunikations-Transceiver eine sehr hohe Bandbreitendichte erreichen. Interne Studien von ams OSRAM haben gezeigt, dass MicroLED-Sender Datenraten von 3,0 Gbit/s pro Leitung bei sehr geringem Energieverbrauch (weniger als 2 pJ/Bit) über die gesamte 10-m-Verbindung erreichen können, während sie gleichzeitig die Anforderungen der Industriestandards an eine Bitfehlerrate von weniger als 10⁻¹⁵ (BER) erfüllen.
Durch den Ersatz einer einzelnen ultraschnellen Leitung durch Hunderte paralleler Verbindungen können Hersteller von KI-Geräten weitere Vorteile erzielen, die für Anwendungen in Rechenzentren von großem Wert sind:
- Zuverlässigkeit – microLEDs lassen sich in Systemen mit mehreren redundanten Kanälen konfigurieren. Das bedeutet, dass ein einzelner defekter Emitter ausfallen kann, ohne dass es zu einer Unterbrechung kommt, und durch einen Ersatzkanal ersetzt werden kann.
- Effizienz – In einer „Slow-and-Wide“-Architektur arbeitet jeder Emitter mit einer relativ niedrigen Schaltfrequenz – typischerweise um 1 GHz –, was den Stromverbrauch im Vergleich zu Ultrahochfrequenz-Lasersendern in der Internetinfrastruktur senkt. Ein geringerer Stromverbrauch führt auch zu einer geringeren Abwärmeerzeugung, was den Betreibern von Anlagen mehr Spielraum in ihrem thermischen Budget verschafft.
- Einfachheit – bei der „Fast-and-Narrow“-Architektur müssen die parallelen Datenströme in einem KI-Beschleuniger für die Übertragung serialisiert und nach dem Empfang wieder deserialisiert werden. Die auf ams OSRAM microLEDs basierende „Slow-and-Wide“-Architektur ist von Natur aus parallel, wodurch komplexe und kostspielige Serialisierungsprozesse entfallen.
Partnerschaft mit der Datacom-Welt
ams OSRAM ist der einzige Serienhersteller von Micro-LEDs in Europa. Seine Produktionskapazitäten haben sich bewährt – seit 2023 liefert das Unternehmen das Produkt EVIYOS in großen Stückzahlen an die Automobilindustrie.
Nun ist ams OSRAM bereit, mit Herstellern von Rechenzentrumsausrüstung zusammenzuarbeiten, um die Technologie für den Einsatz in optischen Verbindungen anzupassen – beispielsweise um die für Hochfrequenz-Datensender geeigneten Treiberschaltungen zu integrieren, das Gehäusedesign zu optimieren und die Interoperabilität mit handelsüblichen optischen Steckverbindern, Kabeln und Fasern sicherzustellen.
Bei diesem Entwicklungsvorhaben profitieren die Hersteller von den umfassenden Kompetenzen von ams OSRAM im Bereich optischer Systeme: Das Unternehmen stellt sowohl Fotodioden (optische Empfänger) als auch microLEDs her und kann somit eine zentrale Rolle bei der Herstellung vollständig integrierter optischer Datenübertragungssysteme spielen.
Abb. 3: Ein Konzept zur Integration eines MicroLED-Arrays mit Fotodioden-Empfängern in eine Lösung für den Datenübertrag mit hoher Bandbreite für KI-Rechenzentren
Es liegen bereits erste Konzeptentwürfe für die Integration von Micro-LEDs mit optischen Verbindungselementen vor. Wenn Sie mehr erfahren oder Möglichkeiten einer gemeinsamen Entwicklung mit ams OSRAM erkunden möchten, können Sie sich gerne an uns wenden.