Оптика рядом с корпусом или в корпусе: пути развития сетей 1.6T

В качестве ключевых подходов к преодолению энергетического барьера центров обработки данных NPO и CPO меняют базовые топологии вычислительных сетей 1.6T и 3.2T. При резком росте скорости передачи данных по одной линии до 224Gbps PAM4 частота Найквиста высокочастотных сигналов на обычных материнских платах приближается к 56GHz. Длинные дорожки печатной платы, протяжённость которых лишь немного превышает десять сантиметров, вызывают значительные диэлектрические потери, из-за чего потери при вносимом затухании канала могут превысить бюджет линии в 30dB. Поэтому перенос компонентов оптоэлектронного преобразования ближе к коммутирующей ASIC стал неизбежным решением для минимизации физического расстояния передачи высокоскоростных сигналов. В этом процессе NPO и CPO демонстрируют различные подходы к корпусированию и пути коммерческого развития.

Архитектурные различия

Основное различие между ними заключается в глубине физической интеграции кремниевого фотонного двигателя и сетевой ASIC на уровне корпуса.

CPO стремится к предельно бесшовной интеграции. В ней используются передовые технологии полупроводниковой упаковки для непосредственной интеграции кремниевая фотоника двигатель и коммутационную ASIC на одной многокристальной подложке. Такая конструкция сокращает длину высокочастотных электрических сигнальных дорожек до нескольких миллиметров, тем самым значительно уменьшая у источника сильное затухание сигнала, обычно вызываемое средой передачи в высокоскоростных каналах.

В отличие от этого, NPO обеспечивает баланс между целостностью сигнала и развязкой системы. Вместо того чтобы принудительно размещать фотонные устройства внутри выделенной подложки ASIC, их независимо монтируют на высокопроизводительных подложках второго уровня и располагают рядом с основным чипом. Такой подход значительно сокращает длину линий, сохраняя при этом фундаментальное требование физической изоляции оптических и электрических компонентов.

Инженерная дилемма CPO

Теоретически, CPO (Оптика в корпусе) представляет собой следующий этап развития оптических межсоединений: сверхкороткие электрические линии обеспечивают самое низкое в отрасли энергопотребление и наибольшую плотность пропускной способности. Однако на пути к массовому производству эта глубокая физическая интеграция сталкивается с серьёзными инженерными проблемами.

Сложности контроля выхода годной продукции и производственные затраты являются основными препятствиями для CPO. Коммутирующая ASIC содержит миллиарды транзисторов; в архитектуре CPO она неразрывно связана с прецизионными оптоэлектронными компонентами. Из-за такой высокой степени интеграции отказ даже одного оптического канала экспоненциально усложняет локализацию неисправностей, тестирование и ремонт всей системы, резко снижая выход годной продукции.

Неизбежная проблема тепловой связи создаёт ещё одну серьёзную сложность. Высокопроизводительные ASIC служат основными источниками тепла в системе, тогда как фотонные устройства чрезвычайно чувствительны к колебаниям температуры. Совместное размещение компонентов в одном корпусе подвергает оптические компоненты длительному воздействию экстремального тепла, что легко вызывает спектральный дрейф и приводит к битовым ошибкам в системе. Чтобы уменьшить тепловые помехи, поставщики оборудования вынуждены нести значительные расходы на резервирование конструкций холодных пластин жидкостного охлаждения.

Практические преимущества NPO

Решая инженерные задачи, связанные с CPO, NPO снижает риски глубокой интеграции за счёт топологической реконфигурации, обеспечивая высокую готовность к массовому производству в рамках существующей экосистемы поставок.

Благодаря физическому разделению NPO позволяет контрактным производителям независимо проводить испытания выхода годных компонентов для коммутирующей ASIC и оптического модуля. По сравнению с высокоинтегрированным CPO, NPO обеспечивает большую свободу эксплуатации и гибкость проектирования при сборке компонентов, локализации неисправностей и долгосрочном обслуживании системы, эффективно предотвращая чрезмерные затраты на техническое обслуживание.

Кроме того, такое физическое разделение обеспечивает независимые пути отвода тепла для микросхем с высоким тепловыделением и кремниевых фотонных двигателей. В сочетании с конструкцией с внешним источником лазерного излучения NPO позволяет размещать критически важные чувствительные компоненты, например лазеры, в стабильной прохладной зоне, значительно продлевая срок их службы.

Что касается ключевого показателя энергоэффективности, NPO значительно сокращает длину сигнальных дорожек, которые традиционно достигают десяти сантиметров и более и вызывают потери сигнала. Для линий связи больше не требуется интенсивно использовать мощные микросхемы DSP для многократной перетактировки сигнала; вместо этого можно применять экономичные решения, например прямое управление с низким энергопотреблением, что позволяет эффективно снизить общее энергопотребление каждого порта во время работы.

Различные сценарии применения

В сценариях применения эти технологии существенно разошлись из-за различий в уровне технической зрелости и исходных целях проектирования.

NPO представляет собой весьма практичное переходное решение. Оно сочетает острую необходимость преодолеть «энергетический барьер» с возможностями существующих экосистем производства электроники; оно идеально подходит для текущих приложений 1.6T и предстоящих ранних узлов 3.2T, что делает его прагматичным выбором для плавного развития основных вычислительных центров ИИ.

CPO, с другой стороны, представляет собой конечную цель, ориентированную на будущее. Эта технология предназначена для сверхвысокоскоростных узлов будущего с пропускной способностью от 3.2T до 6.4T, а ее внедрение во многом зависит от гипермасштабируемых вычислительных кластеров, особенно тех, к которым предъявляются исключительно строгие требования по энергопотреблению и в которых реализована комплексная система жидкостного охлаждения на уровне всей системы.

Заключение

Стремясь снизить высокое энергопотребление, CPO предлагает оптимальную архитектуру для экстремальной плотности и сверхнизкого энергопотребления, а NPO, используя инженерные возможности физического разъединения топологий, эффективно решает проблемы выхода годных изделий и терморегулирования, с которыми сегодня сталкивается отрасль. Для центров обработки данных с ИИ, стремительно приближающихся к эре 1.6T, NPO отнюдь не является временным компромиссом; напротив, это важный путь с огромной инженерной ценностью и коммерческой перспективностью, который сети вычислительных ресурсов должны пройти до полного перехода на архитектуру с совместно упакованной оптикой.