《電子技術(shù)應用》
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英特爾實(shí)現光學(xué)I/O芯粒的完全集成

雙向數據傳輸速度達4Tbps
2024-06-28
來(lái)源:智東西

英特爾在用于高速數據傳輸的硅光集成技術(shù)上取得了突破性進(jìn)展。在2024年光纖通信大會(huì )(OFC)上,英特爾硅光集成解決方案(IPS)團隊展示了業(yè)界領(lǐng)先的、完全集成的OCI(光學(xué)計算互連)芯粒,該芯粒與英特爾CPU封裝在一起,可運行真實(shí)數據,雙向數據傳輸速度達4 Tbps。面向數據中心和HPC應用,英特爾打造的OCI芯粒在新興AI基礎設施中實(shí)現了光學(xué)I/O(輸入/輸出)共封裝,從而推動(dòng)了高帶寬互連技術(shù)創(chuàng )新。

英特爾硅光集成解決方案團隊產(chǎn)品管理與戰略高級總監Thomas Liljeberg表示:“服務(wù)器之間的數據傳輸正在不斷增加,當今的數據中心基礎設施難堪重負。目前的解決方案正在迅速接近電氣I/O性能的實(shí)際極限。然而,借助英特爾的這項突破性進(jìn)展,客戶(hù)能夠將硅光共封互連方案無(wú)縫集成到下一代計算系統中。英特爾的OCI芯粒大大提高了帶寬、降低了功耗并延長(cháng)了傳輸距離,有助于加速機器學(xué)習工作負載,進(jìn)而推動(dòng)高性能AI基礎設施創(chuàng )新?!?/p>

該OCI芯??稍谠谧铋L(cháng)可達100米的光纖上,單向支持64個(gè)32Gbps 通道,有望滿(mǎn)足AI基礎設施日益增長(cháng)的對更高帶寬、更低功耗和更長(cháng)傳輸距離的需求。它將有助于實(shí)現可擴展的CPU和GPU集群連接,和包括一致性?xún)却鏀U展及資源解聚的新型計算架構。

AI應用正在全球范圍內被越來(lái)越多地部署,近期大語(yǔ)言模型和生成式AI的發(fā)展正在加速這一趨勢。對AI負載加速新需求而言,更大、更高效的機器學(xué)習模型將發(fā)揮關(guān)鍵作用。未來(lái)的計算平臺需要面向AI實(shí)現擴展,因而需要指數級提升的I/O帶寬和更長(cháng)的傳輸距離,以支持更大規模的處理器(CPU、GPU和IPU)集群,和資源利用更高效的架構,如xPU解聚和內存池化(memory pooling)。

電氣I/O(即銅跡線(xiàn)連接)帶寬密度高且功耗低,但傳輸距離短至不超一米。數據中心和早期A(yíng)I集群中使用的可插拔光收發(fā)器模塊可以延長(cháng)傳輸距離,但就AI工作負載的擴展需求而言,其成本和功耗不可持續。xPU光電共封I/O解決方案 可以在提高能效比、降低延遲和延長(cháng)傳輸距離的同時(shí),支持更高的帶寬,從而滿(mǎn)足AI和機器學(xué)習基礎設施的擴展需求。

打個(gè)比方,在CPU和GPU中,用光學(xué)I/O取代電氣I/O進(jìn)行數據傳輸,就好比從使用馬車(chē)(容量和距離有限)到使用小汽車(chē)和卡車(chē)來(lái)配送貨物(數量更大、距離更遠)。英特爾的OCI芯粒等光學(xué) I/O 解決方案,在性能和能耗方面實(shí)現了這一水平的提升,從而有助于A(yíng)I的擴展。

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△英特爾OCI(光學(xué)計算互連)芯粒

在完全集成的OCI芯粒中,英特爾利用了已實(shí)際驗證的硅光子技術(shù),集成了包含片上激光器的硅光子集成電路(PIC)、光放大器和電子集成電路。在2024年光纖通信大會(huì )上,英特爾展示了與自家CPU封裝在一起的OCI芯粒,但它也能與下一代CPU、GPU、IPU等SOC(系統級芯片)集成。

這一完全集成的OCI芯粒的雙向數據傳輸速度達4 Tbps,并兼容第五代PCIe。在2024年光纖通信大會(huì )現場(chǎng),實(shí)時(shí)光學(xué)鏈路演示展示了通過(guò)單模光纖(SMF)跳線(xiàn)(patch cord)在兩個(gè)CPU平臺之間實(shí)現的發(fā)射器(Tx)和接收器(Rx)互連。CPU生成并測量了比特誤碼率(BER)。英特爾還展示了發(fā)射器的光譜(optical spectrum),包括單一光纖上200GHz間隔的八個(gè)波長(cháng),以及32Gbps發(fā)射器眼圖(eye diagram),表明信號質(zhì)量很強。

該芯粒目前單向支持64個(gè)32Gbps 通道,傳輸距離達100米(由于傳輸延遲,實(shí)際應用中距離可能僅限幾十米)。它采用8對光纖,每根8波長(cháng)密集波分復用(DWDM)。這種共封裝解決方案也非常節能,功耗僅為每比特5皮焦耳(pJ),而可插拔光收發(fā)器模塊的功耗大約為每比特15皮焦耳。對數據中心和HPC環(huán)境而言,超高的能效十分重要,有助于解決AI應用的高能耗問(wèn)題,提高可持續性。

英特爾研究院在硅光子領(lǐng)域已深耕超過(guò)25年,是硅光集成的開(kāi)拓者和領(lǐng)導者。英特爾在業(yè)內率先開(kāi)發(fā)并向大型云服務(wù)提供商批量交付硅光子連接器件,這些產(chǎn)品具有領(lǐng)先的可靠性。

英特爾的主要差異化優(yōu)勢在于其直接集成技術(shù),結合晶圓上激光器混合集成技術(shù),可提高良率并降低成本。這一獨特的方法使英特爾能夠在實(shí)現卓越性能的同時(shí)保持高能效比。依托強大的量產(chǎn)平臺,英特爾已出貨超過(guò)800萬(wàn)個(gè)硅光子集成電路,包含多達3200萬(wàn)個(gè)片上集成激光器,時(shí)基故障率(FIT)小于0.1。時(shí)基故障率是一種廣泛使用的測量可靠性的方法,體現了故障率和發(fā)生故障的次數。

這些硅光子集成電路被封裝在可插拔收發(fā)器模塊中,部署于超大規模云服務(wù)提供商的大型數據中心網(wǎng)絡(luò )中,用于傳輸速率需求高達100、200和400 Gbps的應用。面向傳輸速率需求達800 Gbps和1.6 Tbps的新興應用,速度達200G/通道的硅光子集成電路正在開(kāi)發(fā)中。

英特爾還正在探索新的硅光子制造工藝節點(diǎn),該節點(diǎn)具有先進(jìn)的器件性能、更高的密度、更好的耦合性,并能大幅提高經(jīng)濟性。英特爾將繼續在片上激光器和性能、成本(芯片面積減少 40% 以上)和功耗(減少 15% 以上)等方面取得進(jìn)步。

英特爾研發(fā)的OCI芯粒目前尚處于技術(shù)原型(prototype)階段。英特爾正在與客戶(hù)合作,開(kāi)發(fā)共封OCI和客戶(hù)SoC,作為光學(xué)I/O的解決方案。

英特爾的OCI芯粒推動(dòng)了高速數據傳輸技術(shù)的進(jìn)步。隨著(zhù)AI基礎設施的不斷發(fā)展,英特爾將繼續推動(dòng)前沿技術(shù)創(chuàng )新,探索面向未來(lái)的連接技術(shù)。


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