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引言. c o3 G/ A& g( ^/ o* K( w
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。 x* \# J0 N& U2 c
. T' Y+ Z) F) e0 b光通信的演進(jìn)
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& z1 _8 j# S: G圖1:展示了光通信從電信時代到人工智能時代的演進(jìn),突出了向更高密度和更低功耗的轉(zhuǎn)變。" T& P8 n* I; D" H2 @0 Y
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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(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)用到計算架構(gòu)中。這種演進(jìn)可以分為三個不同的時代:電信時代:特點(diǎn)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(xué)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(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(dāng)前時代由機(jī)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(jìn)的封裝技術(shù)。
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9 o( e# J( m6 Z光電共封裝和光計算互連
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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(yīng)用。) c* I8 O* b' w9 n& u
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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,同時保持與現(xiàn)有以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)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(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、更長的距離以支持更大的集群,以及更低的功耗。
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CPO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(biāo)準(zhǔn)的互操作性,而OCI可以針對特定的計算應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化,可能提供更大的性能優(yōu)勢。
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OCI:應(yīng)對現(xiàn)代計算挑戰(zhàn)
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* q- ~2 U0 O2 x! s, L/ K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)。
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5 `; j& y: o! zOCI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(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。4 @8 `: A& W& |& O8 O& o
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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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3 q! a& V$ ^6 A英特爾的4 Tbps OCI解決方案
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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。; E9 g+ A( _5 s' _. J/ p4 H
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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(biāo)準(zhǔn)I/O端口直接驅(qū)動:利用來自主機(jī)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。
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這個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(dǎo)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(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
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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:
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( ~% g' E, s( B6 i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(qiáng)調(diào)了在可靠性、性能和成本方面的優(yōu)勢。2 q4 v' B3 g/ r- U$ H* ^
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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(shí)現(xiàn)0.1 FIT(單位時間內(nèi)的故障率)增強(qiáng)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(shí)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
, h% Z7 M+ L* y; o! f: `; k0 r英特爾成功使用OCI解決方案實(shí)現(xiàn)了CPU到CPU的通信:- g: [; O" t7 K
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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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4 O- b6 X$ O) h演示取得了以下結(jié)果:成功實(shí)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' o' A# W/ ?5 U! g0 @' V
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未來擴(kuò)展和發(fā)展' O3 S3 P* }/ G' s( C. O
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7 Y, o$ y& O' k7 S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、提高調(diào)制率和增加光纖數(shù)量。6 b2 H' z. i" L H' ^
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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:增加波長數(shù)量:16波長系統(tǒng)的開發(fā)正在進(jìn)行中更高的調(diào)制率:在計算應(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( Z& T. U- u, l0 b
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結(jié)論% Z3 J: i9 Z5 E& K8 b7 o
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(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)。8 _2 `8 i6 p2 v3 ^& E% V s; k
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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(xiàng)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(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 a3 j( \' V$ }9 P參考文獻(xiàn)
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0 l* y I4 D# i; l深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計自動化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。8 D' a; \+ `1 |' f, g6 ?' K; e
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