Кремниевая фотоника и CPO снимают ограничения сетей 1.6T

Кремниевая фотоника и оптика с совместной компоновкой меняют инфраструктуру межсоединений центров обработки данных ИИ в эпоху 1.6T. По мере расширения масштабов обучения крупных моделей все более острой становится потребность в сверхвысокой пропускной способности внутри кластеров GPU. По мере перехода традиционных подключаемых оптических модулей к более высоким частотам они сталкиваются с физическими ограничениями тепловых и электрических характеристик, становясь критическим узким местом, препятствующим полноценной реализации вычислительных возможностей. Ускоренное коммерческое внедрение кремниевой фотоники и технологий CPO призвано кардинально преодолеть барьер энергопотребления для сетей интеллектуальных вычислений следующего поколения.

Ограничения энергопотребления подключаемых оптических модулей

До настоящего времени в вычислительных сетях преобладали традиционные подключаемые оптические модули благодаря гибкости их развертывания. Однако по мере роста скорости передачи данных на одну линию до 224 Gbps PAM4 всё более очевидными становятся ограничения, присущие традиционной физической архитектуре таких модулей.

В сетях с традиционными оптическими модулями высокоскоростным электрическим сигналам приходится проходить от коммутирующего чипа по дорожкам печатной платы на системной плате—протяжённостью более десяти сантиметров—до передней панели. На таких скоростях частота Найквиста сигнала достигает 56 GHz; на столь больших расстояниях высокочастотные сигналы испытывают сильные потери из-за скин-эффекта и диэлектрических потерь, а вносимые потери канала часто превышают 30 dB.

Чтобы компенсировать экстремальное затухание и искажение сигнала, возникающие в результате, традиционные оптические модули должны включать высокопроизводительные DSP-чипы для цифровой обработки сигнала. Это значительно увеличивает физические размеры и энергопотребление модуля. На узле 1.6T энергопотребление одного модуля приближается к 30 W. Если коммутатор ядра 102.4T полностью укомплектован Оптические модули 1.6T, тепловыделение только оптических межсоединений составляет несколько киловатт. Такая экстремальная плотность теплового потока делает традиционные решения с воздушным охлаждением непригодными, а компоновка холодных пластин и проектирование трубопроводов для систем жидкостного охлаждения создают огромные инженерные трудности.

Эволюция архитектуры кремниевой фотоники и CPO

Чтобы преодолеть физические ограничения, связанные с разводкой на материнской плате, архитектуры кремниевой фотоники и оптики с корпусированием совместно с чипом предлагают прорывное решение, повышая степень интеграции устройств и сокращая электрические межсоединения.

Традиционные оптические модули используют сборки из отдельных оптических компонентов, что приводит к громоздкой упаковке и высоким потерям оптического сигнала. Кремниевая фотоника, напротив, использует зрелые полупроводниковые процессы CMOS для значительной миниатюризации и интеграции модуляторов, детекторов и пассивных волноводов на одном кремниевом чипе. Такое фундаментальное изменение материалов и процессов устраняет необходимость в сложной послойной сборке оптических компонентов на этапе производства, позволяя предельно миниатюризировать оптоэлектронные устройства и обеспечивая высокую стабильность массового производства.

Опираясь на высокий уровень интеграции, достигнутый благодаря кремниевой фотонике, CPO дополнительно изменяет физическую топологию оборудования. В CPO применяется технология передовой упаковки, позволяющая разместить кремниевый фотонный движок и сетевой коммутирующий ASIC на одной многокристальной подложке. Такая конструкция значительно сокращает путь передачи высокоскоростных электрических сигналов—: расстояние уменьшается с более чем десяти сантиметров на материнской плате до всего нескольких миллиметров внутри подложки. Эти сверхкороткие соединения значительно снижают затухание в канале, позволяя системе использовать линейную архитектуру прямого управления с низким энергопотреблением и полностью отказаться от энергоёмких микросхем DSP.

Энергоэффективность системы и плотность пропускной способности

Переход от дискретных компонентов к высокоинтегрированным решениям на основе кремния—и от длинных дорожек печатной платы к межсоединениям непосредственно на уровне подложки—коренным образом перестроил базовую архитектуру, обеспечив ощутимые преимущества для системы по нескольким направлениям.

Наиболее непосредственный прорыв — значительное снижение энергопотребления на переданный бит. Благодаря отказу от энергоемких микросхем DSP архитектура CPO сокращает общее энергопотребление линий связи более чем на 30%. Одновременно устранение DSP убирает задержку, присущую цифровой обработке сигналов. При коллективном обмене данными в крупномасштабном распределенном обучении аппаратная передача данных с задержкой на уровне микросекунд резко сокращает время ожидания синхронизации между узлами и тем самым повышает фактическую загрузку вычислительных ресурсов GPU-кластеров.

На уровне топологии CPO полностью освобождает место на передней панели коммутатора. На передней панели устройства больше не нужны громоздкие разъемы для сменных модулей: остаются только высокоплотные оптоволоконные интерфейсы и внешние лазерные источники (ELS). Это позволяет обеспечить сверхвысокую пропускную способность коммутации свыше 102.4 Tbps в форм-факторе 1RU; это не только упрощает иерархию сетей leaf-spine, но и значительно снижает сложность оптоволоконной кабельной разводки в кластерах, включающих десятки тысяч GPU.

Решения QSFPTEK на основе фотоники на кремнии для 1.6T

В период перехода к архитектурам CPO высокопроизводительные подключаемые модули на базе кремниевой фотоники остаются практической основой для наращивания вычислительной мощности. Чтобы удовлетворить потребности крупномасштабных кластеров ИИ-вычислений, QSFPTEK выпустила 1.6T OSFP224 и линейку кремниевых фотонных модулей 800G, использующих технологический процесс с одной линией 224Gbps. Благодаря применению высокоинтегрированных кремниевых фотонных чипов эти двухскоростные продукты значительно сокращают количество дискретных компонентов и энергопотребление при эксплуатации. Подтвержденная строгими испытаниями целостности сигнала, вся линейка высокоскоростных кремниевых фотонных модулей QSFPTEK’s обеспечивает стабильную совместимость на низком уровне с распространенным сетевым оборудованием, упрощая центрам обработки данных переход к сетевым архитектурам следующего поколения.

Заключение

Для сетевых узлов, работающих на скорости 1.6T и выше, традиционный подход, при котором увеличение полосы пропускания достигается за счет усиленной компенсации электрического сигнала, достиг физических пределов. Хотя высокоскоростные подключаемые модули—например, 1.6T OSFP224—удовлетворяют текущие потребности в масштабировании вычислительных мощностей, кремниевая фотоника и оптика с совместной упаковкой представляют собой ключевые пути решения долгосрочных проблем энергопотребления межсоединений. По мере развития технологий фотонной интеграции на основе кремния и упаковки сетевые инфраструктуры центров обработки данных последовательно вступают в новую эру реконфигурации вычислительной инфраструктуры, отличающуюся простотой архитектуры и высокой энергоэффективностью.