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

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發(fā)表于 2024-9-26 08:02:00 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎(jiǎng)勵(lì) |倒序?yàn)g覽 |閱讀模式
引言
2 J' ^2 g( S; j; @: G! k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。5 F9 S' Q* q2 B: C2 {) o3 X
3 A8 |) T2 l& t2 C' |& Y
光通信的演進(jìn); p5 ~, S9 v9 _, T, R

, M  P# Y$ [# C# P; y% @  H% U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。
. b2 g/ o# e% c1 H  ^: ]3 P; z2 g- b% n; t3 k/ g5 x; H  Q$ f7 P; j2 q
光通信技術(shù)自誕生以來(lái)已經(jīng)走過(guò)了漫長(zhǎng)的道路。最初為遠(yuǎn)距離電信而開(kāi)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(lài)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(jiàn)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)。
    / t; _# w, y+ F! t4 c. x1 l3 R[/ol]/ d( }4 h0 J  \- c
    光電共封裝和光計(jì)算互連& _! T) k" Y8 M- r) r+ e% ]6 T1 G! w
    / K- q4 ?- x7 j8 U0 A. z& [4 k
    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。
    1 R2 G, u$ z2 m- P- \- b7 P
    # f. B& ~8 e/ O& N+ i/ O* [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(zhuān)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。% V# J: ]  }; L8 N& P
    [/ol]8 e+ L0 p6 P' S, s
    CPO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)。  k& N) M4 ^- z" R
    8 Z: O0 Q" A2 o* Q# ?/ i% t
    OCI:應(yīng)對(duì)現(xiàn)代計(jì)算挑戰(zhàn)
    ' X  J# J, z* x0 y" F; K # b% N2 I" ~" O# [% I
    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)。! r: W; P$ @! F& C( D6 V

    3 J& _/ i1 g) d+ \) l8 J3 r4 _OCI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(guò)1.5 Tbps/mm的封裝邊緣。
  • 總帶寬:OCI的目標(biāo)是每根光纖2 Tbps。
    2 @# K' {% H$ S' d$ _" V[/ol]; f; ]% k% _$ U4 a  f$ {
    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。
    + b, O3 a; B. _6 \9 h3 ]8 }[/ol]6 D( U* o' W: e' V0 _( Y3 X  g

    6 c- }( {" {! B5 P$ x' T英特爾的4 Tbps OCI解決方案- C% c7 f9 S! P0 }8 M
    5 N# n+ p( g2 w3 {
    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。8 g" n5 j! _* Y
    / Q0 `8 I0 j% l& j8 u  j! c8 U# N: i$ p
    英特爾開(kāi)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(lái)自主機(jī)PCIe5(和UPI)SERDES的未重定時(shí)直接驅(qū)動(dòng)
  • 面向未來(lái):支持下一代未重定時(shí)PCIe6(64 Gb/s PAM4)連接和未來(lái)的協(xié)同優(yōu)化并行接口設(shè)計(jì)! y; Q( u& W  r% o2 H" E' R6 M- O* B
    [/ol]6 I& E; m. {% r/ ]1 I+ I+ x9 L/ x6 p
    英特爾OCI解決方案的核心是其硅基光電子集成芯片(PIC):- e, l; N& Q0 ^8 a5 F

    # ~' y- U, d7 r2 s  b) K5 O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。3 r+ l% {. @  @! C6 M6 l8 X8 [0 z
    ! M8 `4 p; S" p7 F# K" A
    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(lái)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(wú)源光纖耦合或可拆卸光纖連接器
    3 y1 I/ p1 r3 s# X  ]0 x& S[/ol]2 D0 P$ g8 g+ v
    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:
    / {5 z- J# q) A
    * Z! ~9 F. O) I/ \/ ?8 D圖6:說(shuō)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)。% v4 h& I( C3 L; h5 t" |3 w

    + x- @- R" t0 c6 O4 [: O7 [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(guò)1100萬(wàn)個(gè)激光器在晶圓上內(nèi)置和測(cè)試
    5 ~! X3 {- f( H% m6 N[/ol]
    ! ~- I% O4 I: Z; M/ R3 w5 t, w$ v
    : p& `8 j" z, i3 @/ f/ c7 y. @1 w/ p
    演示和性能& N# o& s& u- O. {; A# t) X$ c
    英特爾成功使用OCI解決方案實(shí)現(xiàn)了CPU到CPU的通信:! a$ |% C3 P9 o  U& F# J2 T

    ) V+ Q0 S3 v! u. L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。
    ! f. S  @8 x$ {0 \
    - c& V# J, C( F4 s# j9 s" B5 K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
    . k2 d* g# r2 y% g  E6 N1 x. j[/ol]3 W/ \- R2 c' V; U0 ~
    . \6 B, e' A  C1 U3 h* @8 m+ [; o! p
    未來(lái)擴(kuò)展和發(fā)展$ a; o2 p+ T) O+ P
    - H6 W$ T% H# D! c; ^+ u9 G
    圖8:展示了OCI和CPO未來(lái)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。! v6 v6 \, s  `/ x* s
    1 N5 e2 B; i; O7 \6 ?
    隨著OCI技術(shù)的不斷發(fā)展,正在探索幾種未來(lái)擴(kuò)展的途徑:
  • 增加波長(zhǎng)數(shù)量:16波長(zhǎng)系統(tǒng)的開(kāi)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(guò)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# W# g& _4 @7 J
    [/ol]9 y5 D. w$ B  z8 B5 _" v4 C
    結(jié)論
    , N; C( G6 C) J1 K- q, w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(guò)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)。
    : V' _8 ?5 h" a. X& s- ^
    ' @& O+ R  y1 u) |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。
    6 R6 f7 H: h7 F; A6 |- C
    8 F3 c3 L: }# _9 V* R& ^0 R5 D參考文獻(xiàn)
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    # e. }9 G4 }* M0 w' F關(guān)于我們:
    4 p- G3 G/ C( B* P! i深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專(zhuān)注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開(kāi)發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)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(jì)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(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動(dòng)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)。
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