初創公司，創新光互連

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來源：內容編譯自IEEE，謝謝。

如果將過多的銅線捆紮在一起，最終會耗盡空間——前提是它們不會先熔合在一起。人工智慧資料中心在GPU和記憶體之間傳輸資料的電子互連方面也面臨著類似的限制。為了滿足人工智慧的海量資料需求，業界正在轉向更大尺寸、更多處理器的晶片，這意味著在機架內實現更密集、更長距離的連線。初創公司正在展示 GPU 如何擺脫銅互連，用光纖鏈路取而代之。

光纖鏈路對資料中心來說並不陌生。它們使用可插拔收發器在機架之間傳輸資料，將電訊號轉換為光訊號。為了提高能源效率，“將光學元件整合到晶片封裝中一直是一個夢想，”加州大學聖巴巴拉分校電氣工程教授克林特·肖( Clint Schow)表示。這就是共封裝光學器件（CPO），科技巨頭們正在全力支援它。英偉達 (Nvidia) 最近宣佈量產一款網路交換機，該交換機使用嵌入在與交換機同一基板上的光子調製器。“這震驚了整個行業，”加州桑尼維爾初創公司Avicena的執行長巴迪亞·佩澤什基 (Bardia Pezeshki) 表示。

哥倫比亞大學電氣工程教授、Xscape Photonics聯合創始人Keren Bergman解釋說， Nvidia 的宣告令人興奮，因為它將光子技術引入了機架內部。但Nvidia目前只計劃將光子技術引入網路交換機。Avicena和其他初創公司正在挑戰“光學技術在成本、可靠性和功率效率方面不足以取代機架內銅纜”這一觀點。他們將光學互連直接連線到 GPU 和記憶體封裝上。Bergman 表示，即使是這些最終長達一米的鏈路，也需要比銅纜所能提供的更大的頻寬。同樣的基礎技術“可以直接連線到 GPU”，使光學器件更靠近資料來源，並允許它們從晶片封裝本身傳輸頻寬。

初創公司創新光互連

多家初創公司一直在致力於替換 GPU 旁邊的銅互連線路。其中幾家公司已經著手研發使用名為微環諧振器的波導晶片，將資料通道編碼到來自外部雷射器的光波上，並在接收埠過濾合適的波長。這與英偉達在其 CPO 交換機上採用的基本光子技術相同——哥倫比亞大學的伯格曼表示，這“意義重大”。但不僅僅是一個 r諧振器，很多初創公司都在使用。

上個月，Ayar Labs宣佈推出 GPU 之間的光學互連，其中採用了標準開源UCIe電氣介面。“這是業界首創，”首席技術官兼聯合創始人 Vladimir Stojanovic 表示。UCIe 構成 GPU 和TeraPhys 光學晶片之間的封裝電氣鏈路。晶片將數字訊號的副本傳輸到單模光纖中，將通訊距離延長至 2 公里。“一個 GPU 與另一個 GPU 通訊時甚至不知道它正在離開封裝，”Stojanovic 說道。Ayar Labs 的SuperNova 光源將 16 種波長饋送到每根光纖上。諧振器對 8 個輸入和 8 個輸出光纖埠中的每一個執行波分複用，在 GPU 之間形成 256 個數據通道，總計 8 Tbps。使用 UCIe 協議可實現完全模組化設計。“任何晶片製造商都可以將其安裝上去並擁有一個光學轉換器，”Schow 解釋道。

總部位於加州山景城的初創公司LightMatter宣佈了類似的 GPU 間光學鏈路產品：Passage L200。它使用Alphawave Semi 的晶片來實現 UCIe 介面——但不是將它們並排構建，而是使用標準的晶圓上晶片技術將它們堆疊在光學電路的頂部。Lightmatter 副總裁 Steve Klinger 表示：“採用 3D 意味著你不必嘗試將電訊號路由到晶片邊緣之外。”該公司展示了Passage M1000的完全整合版本，這是一種由 8 個這樣的構建塊組成的光學中介層。每個部分都位於 GPU 或記憶體塊下方——透過極短的 UCIe 連線直接安裝在頂部。光纖將光訊號從中介層路由出去。

Schow解釋說：“L200採用模組化方式整合光學元件，而M1000則更具進取精神。” 後者利用電子器件區域性解決頻寬問題，並透過光學器件解決封裝間問題。但Stojanovic觀察到，“他們尚未進行演示。”

伯格曼的公司Xscape Photonics位於加州聖克拉拉，該公司更進一步，無需外部光源，將頻率梳雷射器直接整合到晶片上。“我們可以將雷射器和鏈路整合到一起，”伯格曼說道。去年 10 月，該公司獲得了 4400 萬美元的融資，用於擴大ChromX 平臺的產量。ChromX 平臺是一個多色平臺，可以最大限度地解決高頻寬資料從晶片中傳輸出去所固有的“逃逸頻寬”問題。

此前，曦智科技也推出了全球首款專為以下領域設計的片上光網路 (oNOC) 處理器 Hummingbird，其採用先進的垂直堆疊封裝技術，將光子晶片和電子晶片整合到一個封裝中，作為資料中心和其他高效能應用的通訊網路。

Hummingbird 是利用 Lightelligence 的 oNOC 平臺的產品系列中的第一個產品，該平臺透過矽光子學實現創新的互連拓撲，從而顯著提高了計算效能。其波導以光速傳播訊號，並利用到 64 核特定領域 AI 處理器晶片上每個核心的全對全資料廣播網路，使 Hummingbird 在延遲和功耗降低方面比傳統數字互連解決方案具有顯著優勢。

初創公司創新光互連

資料傳輸革命

Juniper Networks和Fungible的聯合創始人（現就職於微軟）的Pradeep Sindhu對此持懷疑態度。在叢集中，如果需要在大量 GPU 之間建立靈活的點對點連結，那麼每個可切換資料通道的粒度就很重要。點對之間的一條粗管道是不夠的。相反，您需要許多更小的管道，而每根光纖的頻寬太多會降低靈活性。例如，連線 512 個 GPU（每個 GPU 透過 200 Gbps 通道連結到 64 個交換機）的宏偉目標需要超過 30,000 個連線。Sindhu 說：“如果將 16 個波長塞進一根光纖，如何將這麼多 GPU 連線到這麼多交換機？” 答案之一是使用數量更少、功能更強大的電子解析粗管道的交換機，但這會將冗餘換成單點故障。此外，多波長雷射器還引發了成本、能源效率和可靠性方面的擔憂。

另一種方法則避開了這兩個問題。Avicena 使用數百個透過成像光纖連線的藍色 MicroLED來傳輸資料。Pezeshki 解釋說：“如果你用攝像頭看電視，你就擁有了一種無需雷射器的光學連線。” Avicena 的光學晶片集成了一個小型 MicroLED 顯示屏和一個微型攝像頭，其幀速率令人難以置信，該技術已在基於 10 Gbps/通道幀速率的模組化 LightBundle 平臺中釋出。每個包含 300 個MicroLED的顯示屏累計傳輸速率為 3 Tbps，但粒度更高。Pezeshki 表示，消除雷射器可以降低可靠性風險、成本和複雜性，並將能耗提升五倍。Sindhu 表示：“我樂觀地認為 MicroLED 將成為未來的領先技術。”

光通訊市場研究公司LightCounting的執行長Vladimir Koslov對這些初創公司的演示表示讚賞。“有些公司會成功，”他說道。但通往市場的道路“不是短跑，而是一場馬拉松”。此外，銅纜仍然有效。他認為，在未來幾年內，CPO將僅限於交換機，因為這是行業的目標。“我認為，直到下一個十年初，我們才能在GPU上看到它（CPO），”他說道。

Sindhu 表示，以廉價、低功耗且可靠的方式連線足夠多的 GPU 是“這個時代最重要的封裝難題”。無論誰解決了這個問題，人們都會回顧。“勝者為王，”他說道。

參考連結

https://spectrum.ieee.org/optics-gpu

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