Hot Chips 2024 | Intel的光計算互連（Optical Compute Interconnect，OCI）

逍遙設(shè)計自動化

引言
8 f9 N0 P8 O, \- K$ N6 j在計算和數(shù)據(jù)通信技術(shù)不斷發(fā)展的今天，對更快、更高效、更高帶寬解決方案的需求持續(xù)增長。本文旨在幫助讀者了解光計算互連（Optical Compute Interconnect，OCI）。OCI是下一代計算架構(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，以及該領(lǐng)域的最新發(fā)展。
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6 e8 h5 b6 U. {5 e9 A2 x光通信的演進
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圖1：展示了光通信從電信時代到人工智能時代的演進，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)走過了漫長的道路。最初為遠距離電信而開發(fā)，現(xiàn)在已經(jīng)進入數(shù)據(jù)中心，最近更是應用到計算架構(gòu)中。這種演進可以分為三個不同的時代：

電信時代：特點是長距離通信，跨越數(shù)百公里，依賴低損耗光纖和分立光學組件。為了在長距離上保持信號完整性，需要大量的數(shù)字信號處理（DSP）。

數(shù)據(jù)通信時代：隨著光技術(shù)進入數(shù)據(jù)中心，焦點轉(zhuǎn)向短距離（小于2公里）的低功耗解決方案。這個時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。

人工智能時代：當前時代由機架級距離（小于100米）的高密度、低功耗解決方案需求驅(qū)動。具有更大規(guī)模的光電子集成和先進的封裝技術(shù)。
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光電共封裝和光計算互連
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6 Z( t3 w& L6 {5 @# j" ~& B/ W圖2：比較了以太網(wǎng)CPO和光計算互連（OCI）的使用案例，突出了不同的要求和應用。

$ W# h( @4 R) a  f隨著我們朝著更集成的光學解決方案發(fā)展，兩種主要方法已經(jīng)出現(xiàn)：

CPO：主要用于網(wǎng)絡應用，CPO旨在降低功耗和成本，同時保持與現(xiàn)有以太網(wǎng)標準的兼容性。

光計算互連（OCI）：為計算架構(gòu)設(shè)計，特別是在人工智能和機器學習應用中，OCI專注于用光學解決方案替代銅互連。提供更高的帶寬密度、更長的距離以支持更大的集群，以及更低的功耗。
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7 F* |6 U$ B5 yCPO和OCI的主要區(qū)別在于要求和使用場景。CPO需要保持與現(xiàn)有以太網(wǎng)標準的互操作性，而OCI可以針對特定的計算應用進行優(yōu)化，可能提供更大的性能優(yōu)勢。

OCI：應對現(xiàn)代計算挑戰(zhàn)
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圖3：概述了OCI的關(guān)鍵性能指標（KPI）和擴展方向，包括功耗、帶寬密度和延遲目標。
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, @9 E) Y, u1 c5 q2 ?9 nOCI旨在解決現(xiàn)代計算環(huán)境中的幾個關(guān)鍵挑戰(zhàn)：

功率效率：目標是實現(xiàn)小于3.5 pJ/bit，比當前解決方案降低80%。

延遲：OCI的目標是實現(xiàn)小于10ns的延遲，加上傳輸時間。

帶寬密度：目標是超過1.5 Tbps/mm的封裝邊緣。

總帶寬：OCI的目標是每根光纖2 Tbps。
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為了實現(xiàn)這些雄心勃勃的目標，OCI利用了幾項關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計原則：

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)建光學引擎。

緊密集成：光學引擎與主機（XPU或交換機）緊密集成，以實現(xiàn)新的系統(tǒng)和應用。
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英特爾的4 Tbps OCI解決方案

! }% V2 @9 e# u+ @3 t, s/ b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XPU的集成。

英特爾開發(fā)了4 Tbps OCI解決方案，展示了這項技術(shù)的潛力。該解決方案的主要特點包括：

帶寬：每個方向2 Tbps（8根光纖 x 8個波長 x 32 Gb/s）

兼容性：設(shè)計為與現(xiàn)有計算生態(tài)系統(tǒng)兼容，可連接到計算平臺上的標準I/O端口

直接驅(qū)動：利用來自主機PCIe5（和UPI）SERDES的未重定時直接驅(qū)動

面向未來：支持下一代未重定時PCIe6（64 Gb/s PAM4）連接和未來的協(xié)同優(yōu)化并行接口設(shè)計
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英特爾OCI解決方案的核心是其硅基光電子集成芯片（PIC）：
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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)制器和光電探測器。

- i( B. q# U- k1 w  I這個PIC集成了幾項先進特性：

支持并行和串行主機接口

針對功率效率和緊湊尺寸進行優(yōu)化

高產(chǎn)量硅基光電子平臺

8根光纖 x 8個波長 x 64 Gbaud（面向未來的設(shè)計）

共享激光器和半導體光放大器（SOA）

高速環(huán)形調(diào)制器和鍺光電探測器（PD）

用于解復用的微環(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
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  G+ \' I+ O/ y% m8 l英特爾OCI解決方案的一個關(guān)鍵創(chuàng)新是將III-V材料（如InP）與硅基光電子集成：

圖6：說明了將III-V材料與硅基光電子集成的價值，展示了混合激光器結(jié)構(gòu)，并強調(diào)了在可靠性、性能和成本方面的優(yōu)勢。
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這種集成提供了幾個優(yōu)勢：

提高可靠性：根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，實現(xiàn)0.1 FIT（單位時間內(nèi)的故障率）

增強性能：在1400個8波長陣列中，WDM網(wǎng)格的變化小于±15 GHz

成本效益高的生產(chǎn)：實現(xiàn)晶圓級制造，超過1100萬個激光器在晶圓上內(nèi)置和測試
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演示和性能
英特爾成功使用OCI解決方案實現(xiàn)了CPU到CPU的通信：
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圖7：展示了平臺間BER（誤碼率）測試的設(shè)置，包括眼圖余量測量和傳輸信號的頻譜分析。
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演示取得了以下結(jié)果：

成功實現(xiàn)兩個CPU之間32 Gb/s/通道的PRBS31數(shù)據(jù)傳輸

均勻的激光器波長間隔和清晰的眼圖，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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未來擴展和發(fā)展

圖8：展示了OCI和CPO未來帶寬擴展的選項，包括增加波長、提高調(diào)制率和增加光纖數(shù)量。
. B' d$ f, H# k( T6 r$ e
. k3 ~1 G+ Q0 x$ I' n隨著OCI技術(shù)的不斷發(fā)展，正在探索幾種未來擴展的途徑：

增加波長數(shù)量：16波長系統(tǒng)的開發(fā)正在進行中

更高的調(diào)制率：在計算應用中，從32G轉(zhuǎn)向64G，最終達到128G

增加光纖數(shù)量：通過緊湊型連接器設(shè)計實現(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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結(jié)論
: g: k# E& v) q) t% d9 l& D9 |- f光計算互連代表了現(xiàn)代計算環(huán)境中高速數(shù)據(jù)通信的重大進步。通過利用先進的硅基光電子技術(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。

6 b* g# U. M( k/ B) [% N英特爾展示的兩個CPU之間完全功能的4 Tbps OCI鏈路，展示了這項技術(shù)在革新數(shù)據(jù)中心和高性能計算架構(gòu)方面的潛力。隨著OCI繼續(xù)發(fā)展和擴展，將在實現(xiàn)下一代人工智能、機器學習和數(shù)據(jù)密集型應用中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
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參考文獻
9 G1 n4 A# K/ m/ p, u[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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