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引言
* ]2 J& J. `3 {3 p在計(jì)算和數(shù)據(jù)通信技術(shù)不斷發(fā)展的今天,對(duì)更快、更高效、更高帶寬解決方案的需求持續(xù)增長(zhǎng)。本文旨在幫助讀者了解光計(jì)算互連(Optical Compute Interconnect,OCI)。OCI是下一代計(jì)算架構(gòu)和數(shù)據(jù)中心的極具潛力的解決方案。我們將探討OCI背后的原理、相比傳統(tǒng)互連技術(shù)的優(yōu)勢(shì),以及該領(lǐng)域的最新發(fā)展。
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光通信的演進(jìn)7 s# h- S m& r y
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# r5 N' D; w" L- S圖1:展示了光通信從電信時(shí)代到人工智能時(shí)代的演進(jìn),突出了向更高密度和更低功耗的轉(zhuǎn)變。
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光通信技術(shù)自誕生以來已經(jīng)走過了漫長(zhǎng)的道路。最初為遠(yuǎn)距離電信而開發(fā),現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入數(shù)據(jù)中心,最近更是應(yīng)用到計(jì)算架構(gòu)中。這種演進(jìn)可以分為三個(gè)不同的時(shí)代:電信時(shí)代:特點(diǎn)是長(zhǎng)距離通信,跨越數(shù)百公里,依賴低損耗光纖和分立光學(xué)組件。為了在長(zhǎng)距離上保持信號(hào)完整性,需要大量的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)。數(shù)據(jù)通信時(shí)代:隨著光技術(shù)進(jìn)入數(shù)據(jù)中心,焦點(diǎn)轉(zhuǎn)向短距離(小于2公里)的低功耗解決方案。這個(gè)時(shí)代見證了光電子技術(shù)的集成,特別是硅基光電子,以及DSP功能的減少。人工智能時(shí)代:當(dāng)前時(shí)代由機(jī)架級(jí)距離(小于100米)的高密度、低功耗解決方案需求驅(qū)動(dòng)。具有更大規(guī)模的光電子集成和先進(jìn)的封裝技術(shù)。7 y- [1 E; l: h2 f- a7 k9 V
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光電共封裝和光計(jì)算互連
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圖2:比較了以太網(wǎng)CPO和光計(jì)算互連(OCI)的使用案例,突出了不同的要求和應(yīng)用。; ]4 H+ g8 @- w0 Z
" s( R0 \0 C2 I9 X2 x8 G隨著我們朝著更集成的光學(xué)解決方案發(fā)展,兩種主要方法已經(jīng)出現(xiàn):CPO:主要用于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,CPO旨在降低功耗和成本,同時(shí)保持與現(xiàn)有以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的兼容性。光計(jì)算互連(OCI):為計(jì)算架構(gòu)設(shè)計(jì),特別是在人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用中,OCI專注于用光學(xué)解決方案替代銅互連。提供更高的帶寬密度、更長(zhǎng)的距離以支持更大的集群,以及更低的功耗。
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U) m0 d" J1 r* d5 U+ O: ?! VCPO和OCI的主要區(qū)別在于要求和使用場(chǎng)景。CPO需要保持與現(xiàn)有以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的互操作性,而OCI可以針對(duì)特定的計(jì)算應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化,可能提供更大的性能優(yōu)勢(shì)。
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OCI:應(yīng)對(duì)現(xiàn)代計(jì)算挑戰(zhàn)
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圖3:概述了OCI的關(guān)鍵性能指標(biāo)(KPI)和擴(kuò)展方向,包括功耗、帶寬密度和延遲目標(biāo)。" B6 t/ \( ^ L- |+ |
' |5 P1 L1 N* ^5 Q3 Z' eOCI旨在解決現(xiàn)代計(jì)算環(huán)境中的幾個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn):功率效率:目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)小于3.5 pJ/bit,比當(dāng)前解決方案降低80%。延遲:OCI的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)小于10ns的延遲,加上傳輸時(shí)間。帶寬密度:目標(biāo)是超過1.5 Tbps/mm的封裝邊緣。總帶寬:OCI的目標(biāo)是每根光纖2 Tbps。* X8 ?1 J7 c1 g) l
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% A, c1 ^2 ]. w3 q4 j為了實(shí)現(xiàn)這些雄心勃勃的目標(biāo),OCI利用了幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計(jì)原則:集成光電子技術(shù):更多的光電子功能集成到光電子集成芯片中,主要使用硅基光電子技術(shù)。異構(gòu)集成:使用先進(jìn)的封裝技術(shù)將光電子集成芯片與最優(yōu)秀的集成線路(IC)結(jié)合,創(chuàng)建光學(xué)引擎。緊密集成:光學(xué)引擎與主機(jī)(XPU或交換機(jī))緊密集成,以實(shí)現(xiàn)新的系統(tǒng)和應(yīng)用。
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英特爾的4 Tbps OCI解決方案
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0 |6 `0 y8 f1 q! j圖4:概述了英特爾的4 Tbps OCI解決方案,展示了光電子集成芯片(PIC)和電子集成線路(EIC)與主機(jī)XPU的集成。9 @6 b& c! j+ T5 [/ ]! l* T
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英特爾開發(fā)了4 Tbps OCI解決方案,展示了這項(xiàng)技術(shù)的潛力。該解決方案的主要特點(diǎn)包括:帶寬:每個(gè)方向2 Tbps(8根光纖 x 8個(gè)波長(zhǎng) x 32 Gb/s)兼容性:設(shè)計(jì)為與現(xiàn)有計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)兼容,可連接到計(jì)算平臺(tái)上的標(biāo)準(zhǔn)I/O端口直接驅(qū)動(dòng):利用來自主機(jī)PCIe5(和UPI)SERDES的未重定時(shí)直接驅(qū)動(dòng)面向未來:支持下一代未重定時(shí)PCIe6(64 Gb/s PAM4)連接和未來的協(xié)同優(yōu)化并行接口設(shè)計(jì)
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6 i. z3 _9 a5 r, y) \) p+ }英特爾OCI解決方案的核心是其硅基光電子集成芯片(PIC):$ u5 [" u9 X9 x- G, o
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圖5:顯示了英特爾4 Tb/s硅基光電子集成芯片的布局和關(guān)鍵組件,包括激光器、調(diào)制器和光電探測(cè)器。
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這個(gè)PIC集成了幾項(xiàng)先進(jìn)特性:支持并行和串行主機(jī)接口針對(duì)功率效率和緊湊尺寸進(jìn)行優(yōu)化高產(chǎn)量硅基光電子平臺(tái)8根光纖 x 8個(gè)波長(zhǎng) x 64 Gbaud(面向未來的設(shè)計(jì))共享激光器和半導(dǎo)體光放大器(SOA)高速環(huán)形調(diào)制器和鍺光電探測(cè)器(PD)用于解復(fù)用的微環(huán)濾波器偏振分集接收器V形槽無源光纖耦合或可拆卸光纖連接器5 ?$ C- G2 O" a, n9 E. y. ^
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% a: X$ @$ |3 M* q0 j英特爾OCI解決方案的一個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新是將III-V材料(如InP)與硅基光電子集成:
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- }1 B- W: G1 S1 I8 w圖6:說明了將III-V材料與硅基光電子集成的價(jià)值,展示了混合激光器結(jié)構(gòu),并強(qiáng)調(diào)了在可靠性、性能和成本方面的優(yōu)勢(shì)。
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這種集成提供了幾個(gè)優(yōu)勢(shì):提高可靠性:根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)0.1 FIT(單位時(shí)間內(nèi)的故障率)增強(qiáng)性能:在1400個(gè)8波長(zhǎng)陣列中,WDM網(wǎng)格的變化小于±15 GHz成本效益高的生產(chǎn):實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)制造,超過1100萬個(gè)激光器在晶圓上內(nèi)置和測(cè)試
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演示和性能
% o4 s) H! o }! E" v$ G' d英特爾成功使用OCI解決方案實(shí)現(xiàn)了CPU到CPU的通信:& ]: N( E. v3 M& t2 E- \9 W& y6 r5 `
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9 U4 J ^" w$ \圖7:展示了平臺(tái)間BER(誤碼率)測(cè)試的設(shè)置,包括眼圖余量測(cè)量和傳輸信號(hào)的頻譜分析。
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/ w& }9 L( ]* Z8 [2 Z演示取得了以下結(jié)果:成功實(shí)現(xiàn)兩個(gè)CPU之間32 Gb/s/通道的PRBS31數(shù)據(jù)傳輸均勻的激光器波長(zhǎng)間隔和清晰的眼圖,表明OCI發(fā)射器性能良好正的眼圖余量和約1e-13的BER,證明OCI接收器和整體鏈路性能良好
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' n6 Q6 z B0 R8 r0 w* `未來擴(kuò)展和發(fā)展 N Q% L, n9 d3 B) o' B& P
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圖8:展示了OCI和CPO未來帶寬擴(kuò)展的選項(xiàng),包括增加波長(zhǎng)、提高調(diào)制率和增加光纖數(shù)量。
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隨著OCI技術(shù)的不斷發(fā)展,正在探索幾種未來擴(kuò)展的途徑:增加波長(zhǎng)數(shù)量:16波長(zhǎng)系統(tǒng)的開發(fā)正在進(jìn)行中更高的調(diào)制率:在計(jì)算應(yīng)用中,從32G轉(zhuǎn)向64G,最終達(dá)到128G增加光纖數(shù)量:通過緊湊型連接器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),允許更高的帶寬和更高的基數(shù)支持高速以太網(wǎng)CPO:具備224G/通道以太網(wǎng)的高速線性接口能力
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# G- v3 F9 Z$ V+ e @光計(jì)算互連代表了現(xiàn)代計(jì)算環(huán)境中高速數(shù)據(jù)通信的重大進(jìn)步。通過利用先進(jìn)的硅基光電子技術(shù)和創(chuàng)新的封裝技術(shù),OCI在帶寬密度、功率效率和延遲方面提供了顯著的改進(jìn)。" F' @( P8 Z, H( I. ]! ~" m
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英特爾展示的兩個(gè)CPU之間完全功能的4 Tbps OCI鏈路,展示了這項(xiàng)技術(shù)在革新數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算架構(gòu)方面的潛力。隨著OCI繼續(xù)發(fā)展和擴(kuò)展,將在實(shí)現(xiàn)下一代人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
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0 K. u' W# K( E參考文獻(xiàn)2 j; V! r5 Y) \* V
[1] S. Fathololoumi, "4 Tb/s Optical Compute Interconnect Chiplet for XPU-to-XPU Connectivity," in 2024 Hot Chips Symposium, Aug. 2024.
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