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

逍遙設計自動化

引言
在計算和數據通信技術不斷發(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是下一代計算架構和數據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)互連技術的優(yōu)勢，以及該領域的最新發(fā)展。

光通信的演進

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變。
$ W/ D5 f6 B# k) G& r- \
光通信技術自誕生以來已經走過了漫長的道路。最初為遠距離電信而開發(fā)，現在已經進入數據中心，最近更是應用到計算架構中。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，需要大量的數字信號處理（DSP）。

數據通信時代：隨著光技術進入數據中心，焦點轉向短距離（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動。具有更大規(guī)模的光電子集成和先進的封裝技術。
' M5 n1 b; Z9 b- h. L" X[/ol]
光電共封裝和光計算互連
( n# r9 Z: Z* c4 F) q( T7 D
圖2：比較了以太網CPO和光計算互連（OCI）的使用案例，突出了不同的要求和應用。

: y, N8 k5 `( L$ a隨著我們朝著更集成的光學解決方案發(fā)展，兩種主要方法已經出現：

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

光計算互連（OCI）：為計算架構設計，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。
8 g* ?: i8 O  L0 ?[/ol]
CPO和OCI的主要區(qū)別在于要求和使用場景。CPO需要保持與現有以太網標準的互操作性，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。

4 T& n5 |/ D) c1 B4 vOCI：應對現代計算挑戰(zhàn)
7 E* O2 d1 S: z$ N( C2 V7 }
圖3：概述了OCI的關鍵性能指標（KPI）和擴展方向，包括功耗、帶寬密度和延遲目標。
0 L9 ]' K5 e* }7 ~* W' {
OCI旨在解決現代計算環(huán)境中的幾個關鍵挑戰(zhàn)：

功率效率：目標是實現小于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。
[/ol]
) X9 V1 f/ }: b+ r( A' s為了實現這些雄心勃勃的目標，OCI利用了幾項關鍵技術和設計原則：

集成光電子技術：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。

異構集成：使用先進的封裝技術將光電子集成芯片與最優(yōu)秀的集成線路（IC）結合，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，以實現新的系統(tǒng)和應用。
[/ol]
* k: ^1 x) c# {' ?7 i
英特爾的4 Tbps OCI解決方案

, B- u6 f: h$ M. G: U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：設計為與現有計算生態(tài)系統(tǒng)兼容，可連接到計算平臺上的標準I/O端口

直接驅動：利用來自主機PCIe5（和UPI）SERDES的未重定時直接驅動

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)化并行接口設計
  `; t1 I' j! g* n$ X+ y% k[/ol]
英特爾OCI解決方案的核心是其硅基光電子集成芯片（PIC）：
- P7 ]& Y  ]$ D9 S/ R( J; t! E
1 W- i' [( N2 D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鍵組件，包括激光器、調制器和光電探測器。

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（面向未來的設計）

共享激光器和半導體光放大器（SOA）

高速環(huán)形調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
[/ol]
* q/ g- r' ~0 {" H8 x/ n英特爾OCI解決方案的一個關鍵創(chuàng)新是將III-V材料（如InP）與硅基光電子集成：
1 c3 e2 [$ J  t4 L' ~2 A
1 p6 @+ }( u& Q/ j. u! Q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構，并強調了在可靠性、性能和成本方面的優(yōu)勢。
2 u9 P: U+ @# ^$ P, x  _# U
這種集成提供了幾個優(yōu)勢：

提高可靠性：根據現場數據，實現0.1 FIT（單位時間內的故障率）

增強性能：在1400個8波長陣列中，WDM網格的變化小于±15 GHz

成本效益高的生產：實現晶圓級制造，超過1100萬個激光器在晶圓上內置和測試
; u! B1 y) X# e/ E7 R. C[/ol]
4 o2 v% K% W: H) x
演示和性能
& r1 i/ l5 [, e1 g" {英特爾成功使用OCI解決方案實現了CPU到CPU的通信：
% s- q" O% V4 ]) _; z( j. |) M. c  m
8 j6 q: v$ a% Z/ a9 E圖7：展示了平臺間BER（誤碼率）測試的設置，包括眼圖余量測量和傳輸信號的頻譜分析。
0 \) g& U( a, m! O( z! [2 B
演示取得了以下結果：

成功實現兩個CPU之間32 Gb/s/通道的PRBS31數據傳輸

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
[/ol]

未來擴展和發(fā)展

3 H# F1 m% r. ]/ ~; t7 `; p  W圖8：展示了OCI和CPO未來帶寬擴展的選項，包括增加波長、提高調制率和增加光纖數量。

隨著OCI技術的不斷發(fā)展，正在探索幾種未來擴展的途徑：

增加波長數量：16波長系統(tǒng)的開發(fā)正在進行中

更高的調制率：在計算應用中，從32G轉向64G，最終達到128G

增加光纖數量：通過緊湊型連接器設計實現，允許更高的帶寬和更高的基數

支持高速以太網CPO：具備224G/通道以太網的高速線性接口能力
[/ol]
4 J, C% j. Z3 t4 r結論
光計算互連代表了現代計算環(huán)境中高速數據通信的重大進步。通過利用先進的硅基光電子技術和創(chuàng)新的封裝技術，OCI在帶寬密度、功率效率和延遲方面提供了顯著的改進。
! ]0 T2 w+ y5 ^- L$ t9 n2 |. N" Y, x
英特爾展示的兩個CPU之間完全功能的4 Tbps OCI鏈路，展示了這項技術在革新數據中心和高性能計算架構方面的潛力。隨著OCI繼續(xù)發(fā)展和擴展，將在實現下一代人工智能、機器學習和數據密集型應用中發(fā)揮關鍵作用。
: X4 y8 ~6 o5 z  Z# R6 Y
參考文獻
[1] S. Fathololoumi, "4 Tb/s Optical Compute Interconnect Chiplet for XPU-to-XPU Connectivity," in 2024 Hot Chips Symposium, Aug. 2024.

  p) \9 d8 _$ i) Y- L3 H3 t) J- END -
' b, I4 ~+ q# Q5 X9 ^& i' x
$ o8 x; [* o" n9 G; Y1 z軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請體驗免費版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
點擊左下角"閱讀原文"馬上申請

4 J4 H" c- E7 y1 e# \# ?歡迎轉載

- j# b) E- I$ W轉載請注明出處，請勿修改內容和刪除作者信息！

! G! ]. J$ v9 H5 o! B; u
% Y4 }* _" }1 t0 h! e7 x$ S: t2 }


關注我們

, a# G2 Y1 e: C& N+ M2 B/ }

; d( H# N* b4 v9 _# M

                     
% u; `* R5 U* p# O9 e: r


5 B- q6 r% m* G, G$ w6 e8 ~
2 ], \6 D9 X7 {2 i$ M
1 Q# W' H; |  K1 k# m# D
關于我們：
. i( o" \) r! `- `$ Z深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導體芯片設計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設計和仿真軟件，提供成熟的設計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設計與仿真。我們提供特色工藝的半導體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務，廣泛服務于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領域的頭部客戶。逍遙科技與國內外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導體產業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術與服務。

http://www.latitudeda.com/
（點擊上方名片關注我們，發(fā)現更多精彩內容）