AI chip đang chạy nhanh hơn nhưng dữ liệu vẫn phải chui qua “cửa”: Photodetector mới nhận 400 tỷ bit mỗi giây ở 5 V

Các bộ tăng tốc AI có thể thực hiện ngày càng nhiều phép tính mỗi giây, nhưng những phép tính đó chỉ hữu ích nếu dữ liệu đến và rời khỏi chip đủ nhanh. Ở quy mô cụm máy, một phần của bài toán nằm ở các liên kết quang: tín hiệu phải được điều chế thành ánh sáng ở đầu phát, truyền qua sợi quang, rồi được biến trở lại thành tín hiệu điện ở đầu thu.

Imec vừa công bố một linh kiện nhắm thẳng vào “cửa” cuối cùng đó. Photodiode avalanche germanium trên silicon, hay Ge/Si APD, mới của trung tâm nghiên cứu Bỉ đạt băng thông 100 GHz, hoạt động ở điện áp phân cực ngược 5 V và có responsivity 1,8 A/W ở cả O-band lẫn C-band. Khi ghép với bộ điều chế quang Ge/Si mà imec giới thiệu năm ngoái, thiết bị được dùng để trình diễn một liên kết quang có tốc độ dữ liệu ròng 400 Gbit/s. Theo imec, đây là lần đầu một liên kết 400 Gbit/s ròng được trình diễn với đầu thu APD.

Có hai chi tiết cần tách rõ ngay từ đầu. Con số 400 Gbit/s là tốc độ của liên kết quang hoàn chỉnh trong thử nghiệm, không phải một “xung nhịp” riêng của photodetector. Và 5 V là điện áp phân cực của APD, không phải mức tiêu thụ điện của toàn bộ đầu thu. Hai điểm này quan trọng vì chúng quyết định cách đọc đúng ý nghĩa của kết quả.

Vì sao photodetector có thể trở thành nút thắt?

Trong một liên kết quang cự ly ngắn của trung tâm dữ liệu, bộ điều chế ở đầu phát biến dữ liệu điện thành thay đổi cường độ hoặc pha của ánh sáng. Ở đầu kia, photodetector phải biến những thay đổi cực nhanh đó thành dòng điện đủ rõ để mạch thu tiếp tục xử lý.

Nếu detector không đủ nhanh, băng thông của nó sẽ làm méo tín hiệu ở tốc độ cao. Nếu đủ nhanh nhưng quá kém nhạy, hệ thống lại phải bù bằng công suất laser lớn hơn, khuếch đại nhiều hơn hoặc chấp nhận khoảng cách truyền và suy hao nhỏ hơn. Vì vậy, tốc độ và độ nhạy thường kéo theo một bài toán đánh đổi.

APD giải quyết một phần bài toán bằng cách tạo khuếch đại ngay bên trong photodiode. Photon tạo ra hạt tải điện, sau đó điện trường mạnh trong vùng nhân làm các hạt tải va chạm và sinh thêm cặp electron-hole. Tín hiệu điện đầu ra vì thế lớn hơn so với một photodiode thông thường ở cùng mức ánh sáng tới.

Nhưng cơ chế avalanche không miễn phí. Vùng nhân và điện trường cần thiết cho quá trình này có thể làm giảm tốc độ đáp ứng hoặc đòi hỏi điện áp cao. Đó là lý do một APD vừa có băng thông rất lớn, vừa có gain hữu ích, lại hoạt động ở điện áp thấp là bài toán khó.

Imec đã thay đổi cấu trúc APD như thế nào?

Thiết kế của imec bắt đầu từ kiến trúc SACM, viết tắt của separate absorption, charge and multiplication: vùng hấp thụ ánh sáng, vùng điều khiển điện trường và vùng nhân được tách chức năng. Nhóm nghiên cứu thu nhỏ chiều rộng vùng nhân xuống dưới 100 nm, sử dụng cấu trúc germanium được lõm sâu trong silicon và loại bỏ lớp charge vốn có trong thiết kế SACM truyền thống.

Theo imec, cách làm này cho phép thiết bị đạt đồng thời băng thông 100 GHz, điện áp hoạt động 5 V và responsivity 1,8 A/W, tương ứng với mức gain nội bộ khoảng hai lần. Thiết bị cũng cho hiệu năng tương đương ở O-band và C-band, hai dải bước sóng quan trọng trong truyền thông quang.

Kết quả mới tiếp nối một phiên bản trước của cùng hướng nghiên cứu. Trong bài báo đăng trên Journal of Lightwave Technology đầu năm 2026, nhóm imec báo cáo Ge/Si APD chế tạo trên wafer silicon-on-insulator 300 mm với băng thông đỉnh trên 100 GHz; thiết bị duy trì băng thông 70 GHz ở responsivity 2 A/W nhưng cần điện áp phân cực ngược 7 V. Tại OFC 2026, nhóm cũng đã trình diễn truyền PAM4 tới 180 GBaud, tương ứng 360 Gbit/s, dưới ngưỡng BER của HD-FEC. Phiên bản công bố tại ECOC 2026 vì vậy có thể được xem là bước tiếp theo: giảm điện áp xuống 5 V và đẩy liên kết ròng lên 400 Gbit/s.

400 Gbit/s đến từ cả đầu phát lẫn đầu thu

Photodetector không tự tạo ra con số 400 Gbit/s. Trong thí nghiệm hệ thống, imec ghép APD mới với một bộ điều chế hấp thụ điện Ge/Si ở C-band có băng thông vượt 110 GHz mà nhóm từng công bố năm 2025. Bộ điều chế này đóng vai trò đầu phát, còn APD là đầu thu. Sự kết hợp của hai linh kiện cho phép nhóm chứng minh liên kết quang ròng 400 Gbit/s.

Phía đầu thu, imec báo cáo độ nhạy được cải thiện 3 dB so với photodiode thông thường. Về mặt thiết kế hệ thống, phần “link margin” tăng thêm này có thể được dùng theo nhiều cách: giảm công suất laser, cho phép nhiều suy hao hơn trên đường truyền, hoặc tạo dư địa cho những tổn thất khác khi tích hợp hệ thống thực tế.

Điều này đặc biệt liên quan tới các cụm AI lớn, nơi hàng nghìn accelerator cần trao đổi tensor và tham số liên tục. Khi số lượng liên kết tăng lên, vài watt hoặc thậm chí phần nhỏ của watt ở mỗi kênh có thể cộng dồn thành tải điện và nhiệt đáng kể ở quy mô rack. Tuy nhiên, thông báo hiện tại của imec chưa công bố một con số năng lượng trên mỗi bit cho toàn bộ link, nên chưa thể từ 5 V suy ra mức tiết kiệm điện của một hệ thống hoàn chỉnh.

5 V đáng chú ý, nhưng không đồng nghĩa “chỉ tốn 5 V”

Điện áp thấp có lợi vì nó làm việc tích hợp APD với điện tử điều khiển và mạch thu dễ hơn, đồng thời giảm yêu cầu đối với nguồn phân cực cao áp. Nhưng công suất điện được xác định bởi cả điện áp lẫn dòng điện, còn năng lượng của một liên kết quang còn bao gồm laser, driver, transimpedance amplifier, clocking, equalization và các khối DSP nếu có.

Vì vậy, kết quả 5 V nên được hiểu là một đặc tính thiết bị quan trọng, không phải bằng chứng rằng toàn bộ đường truyền 400 Gbit/s đã có mức tiêu thụ điện cực thấp. Đây cũng là một trong những khác biệt giữa một linh kiện photonics tốt trong phòng thí nghiệm và một module quang thương mại hoàn chỉnh.

Từ wafer 300 mm đến hệ thống AI còn những gì?

APD mới được chế tạo trên nền tảng silicon photonics 300 mm iSiPP300 của imec. Đây là điểm thực dụng đáng chú ý: wafer 300 mm và quy trình tương thích với hệ sinh thái bán dẫn giúp công nghệ có một con đường rõ hơn tới tích hợp quy mô lớn so với những cấu trúc chỉ có thể chế tạo bằng quy trình phòng lab đặc biệt. Imec hiện đã cung cấp iSiPP300 cho hoạt động tạo mẫu và sản xuất thông qua IC-Link.

Dù vậy, thiết bị APD mới vẫn là kết quả R&D chứ chưa phải một sản phẩm thương mại được triển khai trong data center. Imec cho biết các bước tiếp theo là kiểm tra độ tin cậy trên dải nhiệt độ và công suất quang rộng hơn, đồng thời tích hợp APD với điện tử thu tốc độ cao để hình thành một giải pháp optical interconnect hoàn chỉnh hơn.

Paper “100 GHz Ge/Si Avalanche Photodiodes Enabling Net 400 Gbps Data Reception at a Low Voltage of 5 V” được xếp lịch trình bày tại phiên Photodiodes của ECOC 2026 vào ngày 24/9. Khi tài liệu kỹ thuật đầy đủ được công bố, các chi tiết như điều kiện BER, modulation format, công suất quang vào và mức tiêu thụ của mạch thu sẽ là những số liệu quan trọng để đánh giá mức độ gần với một interconnect có thể triển khai thực tế.