Low-Power Reconfigurable Si Photonic Interconnects for AI
- Reference number
- STP25-0082
- Project leader
- Gylfason, Kristinn
- Start and end dates
- 260801-310731
- Amount granted
- 5 000 000 SEK
- Administrative organization
- KTH - Royal Institute of Technology
- Research area
- Information, Communication and Systems Technology
Summary
The recent rapid improvement of AI models is now held back by hardware constraints, specifically the energy and bandwidth limits of conventional electrical interconnects. We will leverage the silicon photonic MEMS technology that our team has pioneered to establish a new co-packaged optics (CPO) paradigm based on optoelectronic interposers. Placed directly beneath electronic chiplets, the Si photonic interposer platform replaces speed-limiting electrical lanes with programmable Si photonics, enabling low-latency, reconfigurable any-to-any optical connectivity between processors and memory. The project has three core objectives: Interposer Development: Creating a hybrid electrostatic-piezoelectric Si photonic MEMS mesh for ultralow-power and rapid reconfiguration. ASIC Design: Developing a control ASIC for parallel orchestration of MEMS elements. System Validation: Demonstrating a packaged prototype using the IMEC iSiPP50G Si photonic foundry process with custom MEMS post-processing. The collaboration leverages KTH (Sweden) expertise in Si photonic MEMS and packaging, alongside NTHU (Taiwan) leadership in piezoelectric MEMS and ASIC integration. We will deliver the first validation of a reconfigurable, zero-distance interposer, advancing the technology from TRL 2 to TRL 4. The project results will address the AI hardware bottleneck, fostering sustainable infrastructure and strengthening strategic MEMS, photonic, and semiconductor industries in both Sweden and Taiwan.
Popular science description
Artificiell intelligens (AI) har blivit en central del av våra liv och driver allt från medicinska genombrott till de digitala assistenterna i våra fickor. Men bakom kulisserna håller den fysiska hårdvaran som driver AI på att nå sina gränser. Inuti dagens mest kraftfulla datorer skickas information mellan chip via extremt tunna koppartrådar. I takt med att AI-modeller blir större och mer komplexa har dessa elektriska ”vägar” blivit för långsamma och för energikrävande. De genererar enorma mängder värme och utgör flaskhalsar som hindrar processorn från att snabbt få tillgång till den data den behöver. Detta kallas ofta för ”minnesväggen”. Vårt projekt syftar till att ersätta dessa elektriska flaskhalsar med ljus. Vi utvecklar en konfigurerbar optoelektronisk ”interposer” – ett högteknologiskt substrat som sitter direkt under datorchippen och kopplar ihop dem med varandra. Istället för att flytta elektroner genom koppar använder vi fotoner (ljus) för att bära data. Ljus kan transportera mycket mer information, betydligt snabbare och med mycket mindre värmeutveckling. Genom att placera denna ”optiska växel” direkt under processorn tar vi bort den sista sträckan av långsamma elkablar och låter data flöda med ljusets hastighet mellan chippen. För att styra detta ljus använder vi kisel-fotonik och mikroelektromekaniska system (MEMS). Detta är mikroskopiska mekaniska strukturer som kan dirigera ljussignaler med extrem precision. De drar bara ”femtowatt” i effekt – en mängd så försumbar att den knappt är mätbar. I slutändan kommer vårt tillvägagångssätt bidra till att göra AI mycket grönare och mer hållbart. Arbetet är ett gemensamt projekt mellan två världsledande teknikcentrum: KTH i Sverige och National Tsing Hua University (NTHU) i Taiwan. Det svenska teamet bidrar med expertis i design av de mikroskopiska rörliga delarna och den specialiserade paketeringen som skyddar dem. Dessutom är svensk industri världsledande inom tillverkning av de MEMS-strukturer som är avgörande för denna metod. Det taiwanesiska teamet leder utvecklingen av kontrollchippet (systemets ”hjärna”) och de avancerade tillverkningsmetoderna för att sätta ihop allt. Vid slutet av detta femåriga projekt förväntar vi oss att bevisa att tekniken fungerar i verkligheten. Detta kommer att hjälpa Sverige och Taiwan att förbli i framkanten av MEMS-, fotonik- och halvledarindustrin, samtidigt som vi utbildar nästa generation forskare för att lösa de största utmaningarna inom datorteknik.