英特爾實現光學I/O芯粒的完全集成

供稿 / 2024-06-28 09:432357

英特爾在用于高速數據傳輸的硅光集成技術上取得了突破性進展。在2024年光纖通信大會（OFC）上，英特爾硅光集成解決方案（IPS）團隊展示了業界領先的、完全集成的OCI（光學計算互連）芯粒，該芯粒與英特爾CPU封裝在一起，運行真實數據。面向數據中心和HPC應用，英特爾打造的OCI芯粒在新興AI基礎設施中實現了光學I/O（輸入/輸出）共封裝，從而推動了高帶寬互連技術創新。

英特爾硅光集成解決方案團隊產品管理與戰略高級總監Thomas Liljeberg表示：“服務器之間的數據傳輸正在不斷增加，當今的數據中心基礎設施難堪重負。目前的解決方案正在迅速接近電氣I/O性能的實際極限。然而，借助英特爾的這項突破性進展，客戶能夠將硅光共封互連方案無縫集成到下一代計算系統中。英特爾的OCI芯粒大大提高了帶寬、降低了功耗并延長了傳輸距離，有助于加速機器學習工作負載，進而推動高性能AI基礎設施創新。”

該OCI芯粒可在在最長可達100米的光纖上，單向支持64個32Gbps 通道，有望滿足AI基礎設施日益增長的對更高帶寬、更低功耗和更長傳輸距離的需求。它將有助于實現可擴展的CPU和GPU集群連接，和包括一致性內存擴展及資源解聚的新型計算架構。

AI應用正在全球范圍內被越來越多地部署，近期大語言模型和生成式AI的發展正在加速這一趨勢。對AI負載加速新需求而言，更大、更高效的機器學習模型將發揮關鍵作用。未來的計算平臺需要面向AI實現擴展，因而需要指數級提升的I/O帶寬和更長的傳輸距離，以支持更大規模的處理器（CPU、GPU和IPU）集群，和資源利用更高效的架構，如xPU解聚和內存池化（memory pooling）。

電氣I/O（即銅跡線連接）帶寬密度高且功耗低，但傳輸距離短至不超一米。數據中心和早期AI集群中使用的可插拔光收發器模塊可以延長傳輸距離，但就AI工作負載的擴展需求而言，其成本和功耗不可持續。xPU光電共封I/O解決方案可以在提高能效比、降低延遲和延長傳輸距離的同時，支持更高的帶寬，從而滿足AI和機器學習基礎設施的擴展需求。

打個比方，在CPU和GPU中，用光學I/O取代電氣I/O進行數據傳輸，就好比從使用馬車（容量和距離有限）到使用小汽車和卡車來配送貨物（數量更大、距離更遠）。英特爾的OCI芯粒等光學 I/O 解決方案，在性能和能耗方面實現了這一水平的提升，從而有助于AI的擴展。

【新聞快訊】英特爾實現光學IO芯粒的完全集成1371.png 英特爾OCI（光學計算互連）芯粒

在完全集成的OCI芯粒中，英特爾利用了已實際驗證的硅光子技術，集成了包含片上激光器的硅光子集成電路（PIC）、光放大器和電子集成電路。在2024年光纖通信大會上，英特爾展示了與自家CPU封裝在一起的OCI芯粒，但它也能與下一代CPU、GPU、IPU等SOC（系統級芯片）集成。

這一完全集成的OCI芯粒的雙向數據傳輸速度達4 Tbps，并兼容第五代PCIe。在2024年光纖通信大會現場，實時光學鏈路演示展示了通過單模光纖（SMF）跳線（patch cord）在兩個CPU平臺之間實現的發射器（Tx）和接收器（Rx）互連。CPU生成并測量了比特誤碼率（BER）。英特爾還展示了發射器的光譜（optical spectrum），包括單一光纖上200GHz間隔的八個波長，以及32Gbps發射器眼圖（eye diagram），表明信號質量很強。

該芯粒目前單向支持64個32Gbps 通道，傳輸距離達100米（由于傳輸延遲，實際應用中距離可能僅限幾十米）。它采用8對光纖，每根8波長密集波分復用（DWDM）。這種共封裝解決方案也非常節能，功耗僅為每比特5皮焦耳（pJ），而可插拔光收發器模塊的功耗大約為每比特15皮焦耳。對數據中心和HPC環境而言，超高的能效十分重要，有助于解決AI應用的高能耗問題，提高可持續性。

英特爾研究院在硅光子領域已深耕超過25年，是硅光集成的開拓者和領導者。英特爾在業內率先開發并向大型云服務提供商批量交付硅光子連接器件，這些產品具有領先的可靠性。

英特爾的主要差異化優勢在于其直接集成技術，結合晶圓上激光器混合集成技術，可提高良率并降低成本。這一獨特的方法使英特爾能夠在實現卓越性能的同時保持高能效比。依托強大的量產平臺，英特爾已出貨超過800萬個硅光子集成電路，包含多達3200萬個片上集成激光器，時基故障率（FIT）小于0.1。時基故障率是一種廣泛使用的測量可靠性的方法，體現了故障率和發生故障的次數。

這些硅光子集成電路被封裝在可插拔收發器模塊中，部署于超大規模云服務提供商的大型數據中心網絡中，用于傳輸速率需求高達100、200和400 Gbps的應用。面向傳輸速率需求達800 Gbps和1.6 Tbps的新興應用，速度達200G/通道的硅光子集成電路正在開發中。

英特爾還正在探索新的硅光子制造工藝節點，該節點具有先進的器件性能、更高的密度、更好的耦合性，并能大幅提高經濟性。英特爾將繼續在片上激光器和性能、成本（芯片面積減少 40% 以上）和功耗（減少 15% 以上）等方面取得進步。

英特爾研發的OCI芯粒目前尚處于技術原型（prototype）階段。英特爾正在與客戶合作，開發共封OCI和客戶SoC，作為光學I/O的解決方案。

英特爾的OCI芯粒推動了高速數據傳輸技術的進步。隨著AI基礎設施的不斷發展，英特爾將繼續推動前沿技術創新，探索面向未來的連接技術。

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