Οπτικές διασυνδέσεις για κέντρα δεδομένων τεχνητής νοημοσύνης: Από τις ενσωματωτές οπτικές ενότητες έως τις οπτικές συσκευασίες

Οπτικές διασυνδέσεις για κέντρα δεδομένων AIείναι υψηλής ταχύτητας συνδέσεις δεδομένων που χρησιμοποιούν φως για να μετακινούν πληροφορίες μεταξύ GPU, διακόπτες, ράκ και συστημάτων κέντρων δεδομένων.Χρειάζονται επίσης μεγάλο εύρος ζώνης., χαμηλής καθυστέρησης, αποδοτικής ενέργειας μετακίνησης δεδομένων σε πολλές συσκευές.

Τα τελευταία χρόνια, οι περισσότερες συζητήσεις για υποδομές τεχνητής νοημοσύνης επικεντρώθηκαν στις GPU..Αλλά ένα GPU cluster δεν είναι απλά ένα σωρό επιταχυντές. Είναι ένα κατανεμημένο σύστημα υπολογιστών, και τα κατανεμημένα συστήματα περιορίζονται όχι μόνο από το πόσο γρήγορα μπορεί να υπολογίσει κάθε επεξεργαστής,αλλά και από το πόσο γρήγορα τα δεδομένα μπορούν να μετακινηθούν μεταξύ των επεξεργαστών.

Όταν χιλιάδες GPUs δουλεύουν μαζί, η διασύνδεση γίνεται μέρος του ίδιου του υπολογιστικού συστήματος.Οι ακριβοί επιταχυντές ξοδεύουν περισσότερο χρόνο αναμονής και λιγότερο χρόνο υπολογισμού.Με αυτή την έννοια, η οπτική διασύνδεση δεν είναι ένα θέμα περιφερειακών δικτύων. Είναι ένα από τα φυσικά στρώματα που καθορίζουν εάν τα μεγάλα συστήματα τεχνητής νοημοσύνης μπορούν να χρησιμοποιήσουν αποτελεσματικά την εγκατεστημένη τους υπολογιστική ικανότητα.

Η εκπαίδευση της τεχνητής νοημοσύνης είναι το ευκολότερο μέρος για να δούμε το πρόβλημα.Το φορτίο εργασίας κατανέμεται σε πολλούς επιταχυντέςΚάθε GPU υπολογίζει ένα μέρος της εργασίας, και στη συνέχεια ανταλλάσσει ενδιάμεσα αποτελέσματα με άλλες GPU.

Σε μια προηγούμενη γενιά εφαρμογών τεχνητής νοημοσύνης, ήταν λογικό να φανταζόμαστε ένα ερώτημα να χειρίζεται ένας μικρός αριθμός GPUs.Το σύγχρονο συμπέρασμα προχωρά προς πιο περίπλοκο συλλογισμόΣε αυτές τις περιπτώσεις, το σύστημα μπορεί να χρειαστεί να συντονίσει περισσότερους υπολογιστικούς πόρους σε περισσότερα βήματα.Το αποτέλεσμα είναι ότι η συμπερίληψη μπορεί επίσης να γίνει ένα ευαίσθητο σε διασυνδέσεις φορτίο εργασίας, ειδικά όταν η ανάπτυξη εξυπηρετεί πολλούς χρήστες σε μεγάλη κλίμακα.

Το πρακτικό μάθημα είναι απλό: όταν τα φορτία εργασίας της ΤΝ απαιτούν πολλούς επεξεργαστές να λειτουργούν ως ένα σύστημα,Διάταξη ζώνης διασύνδεσης GPUγίνεται μέρος της εξίσωσης απόδοσης.

Η εκπαίδευση και το συμπέρασμα ασκούν διαφορετική πίεση στο δίκτυο, αλλά και τα δύο εξαρτώνται από την κίνηση δεδομένων.

Κατά τη διάρκεια της εκπαίδευσης, οι GPU ανταλλάσσουν βαθμίδες, ενεργοποιήσεις, παραμέτρους και ενδιάμεσα δεδομένα.Όσο πιο κρίσιμος γίνεται ο συγχρονισμός και η ανταλλαγή δεδομένωνΚατά τη διάρκεια της συμπερίληψης, η πίεση εξαρτάται από το σχεδιασμό του φόρτου εργασίας.και πράκτορας εκτέλεση μπορεί να αυξήσει την επικοινωνία μεταξύ των κόμβων υπολογισμού, συστήματα αποθήκευσης και ομάδες επιταχυντή.

Για το λόγο αυτό οι οπτικές διασυνδέσεις έχουν καταστεί κεντρικές για την αρχιτεκτονική των κέντρων δεδομένων τεχνητής νοημοσύνης.Είναι επίσης πώς να συνδέσετε αυτά τα τσιπάκια με τρόπο που να διατηρεί το εύρος ζώνης υψηλό, η απόσταση είναι διαχειρίσιμη, η καθυστέρηση χαμηλή και η κατανάλωση ενέργειας υπό έλεγχο.

Για πολύ σύντομες ηλεκτρικές διαδρομές μέσα σε έναν διακομιστή, πλαίσιο ή στενά ενσωματωμένο ντουλάπι, ο χαλκός μπορεί να είναι αποτελεσματικός, λειτουργικός και οικονομικός.Το πρόβλημα εμφανίζεται όταν η ίδια προσέγγιση με βάση το χαλκό ωθείται προς υψηλότερες τιμές λωρίδας, μεγαλύτερες συνδέσεις και μεγαλύτερες τοπολογίες ομάδων.

Σε υψηλές ταχύτητες, οι σύνδεσμοι χαλκού αντιμετωπίζουν τρεις συνδεδεμένους περιορισμούς: ακεραιότητα σήματος, εμβέλεια και ισχύ.Το παθητικό χαλκό περιορίζεται συνήθως σε σύντομες συνδέσειςΟι λύσεις ενεργού χαλκού μπορούν να επεκτείνουν την εμβέλεια τους προσθέτοντας ηλεκτρονικά, αλλά αυτά τα ηλεκτρονικά προσθέτουν ισχύ, θερμότητα, κόστος και πολυπλοκότητα σχεδιασμού.

Η τεχνολογία SerDes έχει επιτρέψει πολύ υψηλής ταχύτητας ηλεκτρικές διεπαφές, αλλά τα υψηλότερα ποσοστά σηματοδότησης καθιστούν τους σύνδεσμους χαλκού όλο και πιο ευαίσθητους στην απώλεια, την αντανάκλαση, την διασταύρωση και την πολυπλοκότητα εξισορρόπησης.Καθώς τα συστήματα τεχνητής νοημοσύνης κινούνται προς ταχύτερα ηλεκτρικά δρομάκια, η αποτελεσματική εμβέλεια του χαλκού εξαρτάται περισσότερο από το προϊόν και την αρχιτεκτονική.

Αυτό δεν σημαίνει ότι ο χαλκός εξαφανίζεται. Αυτό σημαίνει ότι ο χαλκός χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο εκεί όπου οι δυνάμεις του εξακολουθούν να ταιριάζουν με τη φυσική απόσταση: σύντομες, αυστηρά ελεγχόμενες ηλεκτρικές διαδρομές.Μόλις ο σύνδεσμος μετακινηθεί πέρα από μερικά μέτρα, ή όταν πολλοί σύνδεσμοι πρέπει να λειτουργούν πυκνά σε ένα σύστημα κλίμακας ράκ ή κλίμακας συστάσεων, οι οπτικοί σύνδεσμοι γίνονται πιο ελκυστικοί.

Η σημαντικότερη διαφορά δεν είναι ο χάλκινος αντί της ινώδους ινώσεως, στην αφηρημένη.

Μέσα σε ένα ντουλάπι, οι GPU και τα τσιπ διακόπτη μπορούν να επικοινωνούν μέσω πολύ μικρών ηλεκτρικών διαδρομών.Πολλές εσωτερικές συνδέσεις μπορούν να παραμείνουν ηλεκτρικές επειδή η φυσική απόσταση είναι μικρήΑλλά οι συνδέσεις από ράκελ σε ράκελ, από ντουλάπι σε ντουλάπι και από κέντρο δεδομένων δημιουργούν ένα διαφορετικό πρόβλημα.και το κόστος της απώλειας σήματος γίνεται πολύ πιο ορατό σε επίπεδο συστήματος.

Ο χαλκός εξακολουθεί να μπορεί να κατασκευαστεί για συγκεκριμένες εφαρμογές μικρής εμβέλειας.

Η ισχύς διασύνδεσης δεν είναι απλά ένα στοιχείο γραμμής σε μια προδιαγραφή συστατικού.Άρθρα ενεργού χαλκού, επαναχρονοδιακόπτες, εξισορρόπηση, και θερμική διαχείριση όλα προσθέτουν πίεση στο σύστημα.

Το τελευταίο ερώτημα της μηχανικής δεν είναι μόνο αν μια σύνδεση μπορεί να λειτουργήσει. Είναι αν αυτή η σύνδεση μπορεί να λειτουργήσει σε κλίμακα, εντός της ισχύος και του θερμικού περιβλήματος μιας πυκνής εγκατάστασης AI.Αυτός είναι ένας λόγος οπτικών διασυνδέσεων έχουν μετακινηθεί από ένα θέμα δικτύωσης σε ένα θέμα υποδομής AI.

Χάλκινος και ινώδης διασύνδεση στα κέντρα δεδομένων AI

Οι συνδέσεις οπτικών ινών χρησιμοποιούν φως αντί για ηλεκτρικό ρεύμα για να μεταφέρουν πληροφορίες.ανοσία σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, και καλύτερη καταλληλότητα για πυκνούς συνδέσμους υψηλής ταχύτητας σε μεγάλες αποστάσεις.

Η αξία των ινών είναι ιδιαίτερα σαφής όταν το σύστημα πρέπει να συνδέσει πολλά ράφια, πολλά ντουλάπια ή πολλές αίθουσες δεδομένων.Τα οπτικά σήματα μπορούν να ταξιδέψουν πολύ πιο μακριά διατηρώντας υψηλές ταχύτητες δεδομένων, καθιστώντας την ίνα μια φυσική ταινία για κατανεμημένα AI συστάματα.

WDMΗ πολλαπλασιαστική διαίρεση μήκους κύματος, επιτρέπει σε πολλαπλά οπτικά μήκη κύματος να ταξιδεύουν μέσω της ίδιας ινών ταυτόχρονα.Το WDM μετατρέπει μια ίνα σε πολλαπλά παράλληλα οπτικά κανάλια.

Αντί να προσθέσουμε έναν ξεχωριστό φυσικό αγωγό για κάθε διαδρομή κυκλοφορίας,τα οπτικά συστήματα μπορούν να αυξήσουν την ικανότητα συνδυάζοντας κανάλια μήκους κύματος, υψηλότερες μορφές διαμόρφωσης και ταχύτερα οπτικά εξαρτήματα.

Διαβίβαση πολλαπλού μήκους κύματος WDM σε μία ενιαία ίνα

Η σωστή μηχανική επιλογή εξαρτάται από την απόσταση, το εύρος ζώνης, το κόστος, τη λειτουργικότητα και τον θερμικό σχεδιασμό.Η ίνα γίνεται όλο και πιο σημαντική καθώς τα AI clusters κλιμακώνονται προς τα έξω.

ΑΕπικοινωνιακές συσκευέςείναι μια μονάδα που μετατρέπει ηλεκτρικά σήματα σε οπτικά σήματα και τα οπτικά σήματα πίσω σε ηλεκτρικά σήματα.Η άλλη πλευρά συνδέεται με οπτική ίνα..

Στα κέντρα δεδομένων τεχνητής νοημοσύνης, οι ενσωματώσιμες οπτικές ενότητες είναι ιδιαίτερα σημαντικές για συνδέσεις μεταξύ των ντουλαπιών, των ράκ και των διακόπτες.Δεν είναι συνήθως η κύρια τεχνολογία για κάθε σύντομο σύνδεσμο μέσα σε ένα GPU ντουλάπιΗ διάκριση αυτή έχει σημασία διότι αποτρέπει μια κοινή παρεξήγηση: οι οπτικές μονάδες δεν αντικαθιστούν αυτόματα όλες τις εσωτερικές καλωδίωση GPU.

Μέσα σε ένα ντουλάπι GPU υψηλής πυκνότητας, η απόσταση μεταξύ των GPU, των διακόπτες και των πλατφορτών μπορεί να είναι μόνο εκατοστά σε ένα μικρό αριθμό μέτρων.ειδικά όταν το σύστημα έχει σχεδιαστεί ως στενά ολοκληρωμένη μονάδα.

Όταν η κίνηση εγκαταλείπει το ντουλάπι και μετακινείται σε ένα άλλο ράφι, σε ένα άλλο διακόπτη ή σε ένα άλλο δωμάτιο, οι απαιτήσεις σύνδεσης αλλάζουν.και οι οπτικές ενότητες γίνονται πιο ελκυστικές.

Ένας χρήσιμος τρόπος για να σκεφτούμε την ιεραρχία είναι:

Η αλυσίδα ζήτησης είναι απλή. Περισσότερες GPUs απαιτούν περισσότερα συστήματα. Περισσότερα συστήματα απαιτούν περισσότερα ντουλάπια. Περισσότερα ντουλάπια απαιτούν πιο υψηλής ταχύτητας διασύνδεση μεταξύ ντουλάπων και διακόπτες.Καθώς αυξάνεται ο αριθμός αυτών των συνδέσμων, η ζήτηση για οπτικές μονάδες αυξάνεται.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι οπτικοί δέκτες-αποδέκτες έχουν συνδεθεί στενά με την ανάπτυξη της υποδομής τεχνητής νοημοσύνης.Είναι πολύτιμο επειδή επιτρέπει το φυσικό δίκτυο που επιτρέπει σε μεγάλα γκρουπ GPU να λειτουργούν ως ένα σύστημα.

Ένας αναλώσιμος οπτικός δέκτης φαίνεται απλός από έξω, αλλά εσωτερικά συνδυάζει οπτική, ηλεκτρονικά, ημιαγωγούς, συσκευασία και ευθυγράμμιση ακριβείας.διαμορφωτής, φωτοανιχνευτής, DSP, και σύστημα οπτικής ζεύξης.

Μέσα σ' ένα ανασύλληπτο οπτικό δέκτη

Η δίοδος λέιζερ παρέχει την πηγή φωτός για το οπτικό σήμα. Δεν μεταφέρει απαραίτητα τα δεδομένα από μόνη της. Αντίθετα, παράγει ένα σταθερό οπτικό φορέα που μπορεί να τροποποιηθεί.

Τα οπτικά λέιζερ χρησιμοποιούν συνήθως σύνθετα ημιαγωγούς III-V όπωςΕπενδύσειςήΓΑΑ, επειδή αυτά τα υλικά είναι πολύ πιο κατάλληλα για την παραγωγή φωτός.

Αρκετοί τύποι λέιζερ εμφανίζονται σε οπτικές μονάδες και συναφή συστήματα:

Η μετατόπιση από την παραδοσιακή οπτική που συνδέεται προς τη φωτονική του πυριτίου και την CPO αλλάζει τον ρόλο του λέιζερ.Σε σχεδίαση CPO, το λέιζερ μπορεί να βρίσκεται έξω από το πακέτο ως εξωτερική πηγή φωτός, ενώ η διαμόρφωση συμβαίνει μέσα στο τσιπ φωτονικής πυριτίου.

Ο διαμορφωτής είναι το συστατικό που μετατρέπει έναν κενό οπτικό φορέα σε σήμα μεταφοράς δεδομένων.Παίρνει το ηλεκτρικό ρεύμα δεδομένων και αλλάζει το οπτικό σήμα έτσι ώστε τα ένα και τα μηδέν να μπορούν να αντιπροσωπευτούν από την ένταση του φωτός ή τη συμπεριφορά φάσης.

Δύο σημαντικές προσεγγίσεις διαμόρφωσης είναι:ΕΜΑκαιΜΜΕ.

Ένας διαμορφωτής ηλεκτροαπορρόφησης αλλάζει το πόσο έντονα ένα υλικό απορροφά το φως όταν εφαρμόζεται τάση.που χρησιμοποιείται ευρέως σε συμβατικές οπτικές μονάδες υψηλής ταχύτητας.

Ένας διαμορφωτής παρεμβολισμού Mach-Zehnder λειτουργεί διαφορετικά.το συνδυασμένο σήμα μπορεί να γίνει ισχυρότερο ή ασθενέστεροΗ προσέγγιση αυτή είναι σημαντική στην φωτονική του πυριτίου επειδή μπορεί να εφαρμοστεί χρησιμοποιώντας δομές κυματοειδούς πυριτίου.

Στο σημείο λήψης, το οπτικό σήμα πρέπει να μετατραπεί ξανά σε ηλεκτρικό σήμα.

Ο φωτοανιχνευτής χρησιμοποιεί το φωτοηλεκτρικό αποτέλεσμα: τα εισερχόμενα φωτόνια διεγείρουν φορείς στο υλικό των ημιαγωγών, δημιουργώντας ρεύμα.να παράγει αρκετό ρεύμα από αδύναμη οπτική ισχύ, και κρατήστε χαμηλό θόρυβο.

Τρεις παράμετροι έχουν ιδιαίτερη σημασία:

Στην φωτονική του πυριτίου, το γερμανίμιο χρησιμοποιείται συχνά για φωτοανίχνευση επειδή το ίδιο το πυρίτιο δεν είναι αποτελεσματικό για την απορρόφηση κοινών μήκων κύματος τηλεπικοινωνιών όπως 1310 nm και 1550 nm.Αυτό είναι ένα παράδειγμα του πώς η φωτονική του πυριτίου εξακολουθεί να εξαρτάται από την προσεκτική ενσωμάτωση υλικών., όχι καθαρή πυρίτιο μόνο.

ΗΔΣΠΕίναι η ψηφιακή μηχανή επεξεργασίας σήματος μέσα σε πολλές οπτικές ενότητες υψηλής ταχύτητας.

Σε υψηλές ταχύτητες, ο οπτικός σύνδεσμος δεν στέλνει απλά παλμούς ενεργοποίησης και απενεργοποίησης.PAM4Το PAM4 βελτιώνει την αποτελεσματικότητα του εύρους ζώνης, αλλά κάνει επίσης το σήμα πιο ευαίσθητο στο θόρυβο και την στρέβλωση.Το DSP βοηθά στην ανάκτηση των προβλεπόμενων δεδομένων από αυτό το ατελές σήμα.

Ο χάρτης οδού ταχύτητας των οπτικών ενσωματωμάτων έχει μετακινηθεί από 400G σε 800G, με ανάπτυξη 1.6T και υψηλότερους ρυθμούς σχεδιασμού που ωθούν τη βιομηχανία προς ταχύτερες ηλεκτρικές και οπτικές λωρίδες.Η ακριβής αρχιτεκτονική εξαρτάται από το σχεδιασμό της ενότηταςΗ τάση είναι σαφής: κάθε γενιά ασκεί μεγαλύτερη πίεση στο DSP, την οπτική, τη συσκευασία και τη διαδικασία δοκιμών.

Η τελευταία κρίσιμη λειτουργία είναι η οπτική ζεύξη. Το φως που παράγεται ή επεξεργάζεται σε ένα τσιπ πρέπει να εισέλθει στη ίνα με πολύ υψηλή ακρίβεια.Έτσι η σύνδεση είναι ένα πρόβλημα ευθυγράμμισης μικροκλίμακας.

Δύο κοινές προσεγγίσεις είναι η σύνδεση με μύτη και η σύνδεση με πλέγμα.

Σύνδεσμος οπίσθιαςΜπορεί να είναι αποτελεσματικό, αλλά η ευθυγράμμιση απαιτεί.Σύνδεσμος πλέγματοςχρησιμοποιεί μια μορφωμένη δομή στην επιφάνεια του τσιπ για να ανακατευθύνει το φως προς ή έξω από έναν κυματοδηγό.αλλά επίσης εισάγει σκέψεις για το μήκος κύματος και την αποδοτικότητα.

Στην κλίμακα της παραγωγής, η πρόκληση δεν είναι απλώς να αποδείξουμε την οπτική ζεύξη μία φορά.

Μια οπτική μονάδα μπορεί να γίνει αντιληπτή ως ένα σύστημα διπλής μετάφρασης. Κατά τη μετάδοση, μετατρέπει ηλεκτρικά δεδομένα σε οπτικά δεδομένα. Κατά τη λήψη, μετατρέπει τα οπτικά δεδομένα πίσω σε ηλεκτρικά δεδομένα.

Ηλεκτρική-οπτική-ηλεκτρική ροή σήματος

Στην κατεύθυνση μετάδοσης, η GPU ή το ASIC διακόπτη στέλνει ένα ηλεκτρικό σήμα προς την οπτική μονάδα.Ο διαμορφωτής επιβάλλει τις πληροφορίες στο φως από την πηγή λέιζερΗ οπτική σύνδεσης ευθυγραμμίζει το φως με τη ίνα.

Ο φωτοανιχνευτής μετατρέπει το οπτικό σήμα σε ρεύμα. Το DSP στη συνέχεια ανακτά τα δεδομένα, διορθώνει την παραμόρφωση.,και στέλνει ένα χρήσιμο ηλεκτρικό σήμα πίσω στο σύστημα.

Αυτή η ηλεκτρική-οπτική-ηλεκτρική μετατροπή είναι το θεμέλιο των ενσωματωμένων οπτικών διασυνδέσεων.

Οι οπτικές ενότητες συνδυάζουν δύο κόσμοι ημιαγωγών που δεν συγχωνεύονται φυσικά.

Ο πρώτος είναι ο ψηφιακός κόσμος του πυριτίου.

Οι λέιζερ, πολλοί διαμορφωτές και μερικοί φωτοανιχνευτές βασίζονται σε υλικά όπως InP και GaAs.διαμόρφωση, ή ανιχνεύει το φως αποτελεσματικά με τρόπους που δεν μπορεί το πυρίτιο.

Σίλικον DSP vs InP κατασκευή οπτικών τσιπ

Ένα DSP είναι βασικά ένα ψηφιακό τσιπ. Ασχολείται με σύμβολα, κωδικοποίηση, διόρθωση, εξισορρόπηση και ανάκτηση σήματος.και προηγμένη εφαρμογή πυριτίου.

Αυτό είναι πιο κοντά στον κόσμο των CPUs, GPUs, διακόπτες, και δικτύωση ASICs από ό, τι στον κόσμο της κατασκευής λέιζερ.και οι συνεργάτες κατασκευής είναι επομένως διαφορετικοί από εκείνους που χρησιμοποιούνται για οπτικές συσκευές σύνθετων ημιαγωγών.

Οι οπτικές συσκευές InP και GaAs ανήκουν σε ένα διαφορετικό οικοσύστημα διαδικασιών.και η οπτική απόδοση εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την επιταξία, έλεγχο ελαττωμάτων και δομή συσκευής.

Ένα κορυφαίο χυτήριο πυριτίου δεν είναι αυτόματα ένας κορυφαίος κατασκευαστής λέιζερ InP. Ο εξοπλισμός, οι συνταγές, η γνώση των υλικών και οι προκλήσεις απόδοσης είναι διαφορετικές.Αυτός είναι ένας λόγος οπτικές αλυσίδες εφοδιασμού διασύνδεσης είναι πιο κατανεμημένες από τις αλυσίδες εφοδιασμού GPU.

Το υπόστρωμα είναι το βασικό υλικό πάνω στο οποίο είναι κατασκευασμένη η οπτική συσκευή.

Η επιταξία είναι η διαδικασία ανάπτυξης λειτουργικών στρωμάτων στο υπόστρωμα.Δάχος στρώματοςΟι μικρές αποκλίσεις μπορούν να μετατοπίσουν το μήκος κύματος, να μειώσουν την αποτελεσματικότητα ή να βλάψουν την αξιοπιστία.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η κατασκευή σύνθετων ημιαγωγών δεν είναι απλώς “παρασκευή τσιπ με διαφορετικό υλικό.” Είναι μια εξειδικευμένη πειθαρχία κατασκευής οπτικών συσκευών.

ΠΙΚ φωτονικής πυριτίουΗ τεχνολογία χρησιμοποιεί δομές με βάση το πυρίτιο για να καθοδηγεί, να διαμορφώνει, να διαχωρίζει, να συνδυάζει και να ανιχνεύει το φως σε ένα ολοκληρωμένο τσιπ.Είναι σημαντικό επειδή φέρνει τις οπτικές λειτουργίες πιο κοντά στον κόσμο της κατασκευής και της συσκευασίας των προηγμένων ηλεκτρονικών.

Ένα PIC φωτονικής πυριτίου δεν σημαίνει ότι κάθε οπτική λειτουργία είναι κατασκευασμένη μόνο από πυρίτιο.Αλλά το πυρίτιο δεν είναι μια αποτελεσματική πηγή φωτός., έτσι ώστε τα εξωτερικά ή χωριστά ενσωματωμένα λέιζερ III-V να παραμένουν σημαντικά.

Η φωτονική του πυριτίου χρησιμοποιεί συχνά το SOI, ή το πυρίτιο σε μονωτή, ως πλατφόρμα.Η υψηλή αντίθεση του δείκτη διάθλασης μεταξύ του πυριτίου και του διοξειδίου του πυριτίου βοηθά να περιοριστεί το φως μέσα σε συμπαγή κυματοδηγούς πυριτίου.

Αυτοί οι κυματοδηγοί λειτουργούν σαν οπτικά καλώδια στο τσιπ. Διανέμουν το φως μεταξύ διαμορφωτών, διαχωριστών, ζεύξεων, ανιχνευτών και άλλων οπτικών δομών.

Το πυρίτιο είναι χρήσιμο για τον χειρισμό του φωτός, αλλά είναι αναποτελεσματικό ως υλικό λέιζερ.Γι 'αυτό τα συστήματα φωτονικής πυριτίου συχνά βασίζονται σε πηγές λέιζερ που βασίζονται σε InP.

Ο PIC φωτονικής πυριτίου μπορεί να καθίσει κοντά στο ASIC και να χειριστεί την καθοδήγηση κυμάτων, τη διαμόρφωση και την ανίχνευση.Το λέιζερ μπορεί να παραμείνει εκτός της συσκευασίας ως εξωτερική πηγή φωτός, τροφοδοτώντας συνεχές φως στο φωτονικό τσιπ.

Συσκευασμένα οπτικά, ήCPO, μετακινεί τις οπτικές λειτουργίες πιο κοντά στο ASIC διακόπτη, την επεξεργαστική αρχιτεκτονική γειτονικής GPU ή την ηλεκτρονική συσκευασίας.Αντί να τοποθετήσετε κάθε λειτουργία οπτικής μετατροπής σε μια ενσωματωμένη μονάδα στο πίσω μέρος ενός συστήματος, η CPO ενσωματώνει οπτικές μηχανές πολύ πιο κοντά στο τσιπ.

Η NVIDIA περιγράφει την προσέγγισή της για την αλλαγή CPOόπως η αντικατάσταση των συσσωρευτικών δέκτων με φωτονική πυριτίου στο ίδιο πακέτο με το ASIC.Η Broadcom περιγράφει παρόμοια την αρχιτεκτονική του διακόπτη CPO Ethernet ως ενσωμάτωση οπτικών κινητήρων σε ένα κοινό πακέτο με τον διακόπτηΟ μηχανικός σκοπός είναι να μειωθεί η ηλεκτρική απόσταση, να μειωθεί η επιβάρυνση της υψηλής ταχύτητας ηλεκτρικής σηματοδότησης και να βελτιωθεί η αποδοτικότητα ενέργειας σε υψηλή πυκνότητα εύρους ζώνης.

Μια απλουστευμένη αρχιτεκτονική CPO περιλαμβάνει τέσσερα κύρια τμήματα:

Αρχιτεκτονική CPO με Silicon Photonics PIC και εξωτερική πηγή λέιζερ

Η αρχιτεκτονική μετατόπιση είναι η θέση της οπτικής διεπαφής.η οπτική διεπαφή κινείται πιο κοντά στο πακέτο ASICΑυτή η μικρότερη ηλεκτρική πορεία είναι ο κύριος λόγος που η CPO είναι ελκυστική για δίκτυα υψηλής πυκνότητας AI.

Η CPO δεν εξαλείφει τα λέιζερ αλλά αλλάζει το που κάθονται και τι κάνουν.

Οι εξωτερικές πηγές λέιζερ μπορούν να παρέχουν συνεχές φως στον κινητήρα φωτονικής πυριτίου παραμένοντας εκτός του πιο θερμού και πιο περίπλοκου μέρους του πακέτου.Αυτό βοηθά με τη λειτουργικότητα και το θερμικό σχεδιασμόΕάν ο λέιζερ διατηρείται έξω από το πακέτο, μπορεί να αντιμετωπιστεί ως αντικαταστάσιμη οπτική πηγή ενέργειας και όχι ως αναπόσπαστο μέρος του πακέτου ASIC.

Η πηγή λέιζερ εξακολουθεί να βασίζεται συνήθως σε υλικά III-V όπως το InP. Η φωτονική του πυριτίου μπορεί να φέρει την οπτική δρομολόγηση και τη διαμόρφωση κοντά στο ASIC, αλλά εξακολουθεί να χρειάζεται μια κατάλληλη πηγή φωτός.

Οι δύο αρχιτεκτονικές εξυπηρετούν διαφορετικά στρώματα του δικτύου κέντρου δεδομένων.

Το πιο ρεαλιστικό μέλλον είναι η συνύπαρξη. Τα pluggable optics θα παραμείνουν σημαντικά σε πολλές συνδέσεις κέντρων δεδομένων. Η CPO θα αυξηθεί εκεί όπου η πυκνότητα εύρους ζώνης και η πίεση ηλεκτρικής ισχύος είναι πιο σοβαρή.

Ο ισχυρότερος μηχανικός παράγοντας για την CPO δεν είναι ότι είναι "νέα". Είναι ότι η ηλεκτρική απόσταση υψηλής ταχύτητας γίνεται όλο και πιο ακριβή καθώς η πυκνότητα εύρους ζώνης αυξάνεται.Μετακίνηση οπτική μετατροπή πιο κοντά στο ASIC μειώνει το μήκος της πιο δύσκολη ηλεκτρική διαδρομή.

Αυτό μπορεί να μειώσει την ανάγκη για σύνθετη ηλεκτρική επαναπρογραμματισμό, να βελτιώσει την ακεραιότητα του σήματος, να μειώσει την ισχύ σύνδεσης και να υποστηρίξει πυκνότερα συστήματα διακόπτη.Η CPO αυξάνει επίσης τη σημασία των οπτικών συσκευασιών, στρατηγική πηγής λέιζερ, θερμική σχεδίαση και πολυπλοκότητα δοκιμής.

Μια οπτική αρχιτεκτονική που συνδέεται διατηρεί τη μονάδα φυσικά διαχωρισμένη από το ASIC. Το ηλεκτρικό σήμα πρέπει να ταξιδέψει σε όλη την σανίδα για να φτάσει στη μονάδα.Αυτή η απόσταση απαιτεί προσεκτικό σχεδιασμό του καναλιού και συχνά ενεργό προετοιμασία σήματος.

Η CPO αλλάζει αυτή την ισορροπία. τοποθετώντας οπτικές μηχανές κοντά στο ASIC, μειώνει την ηλεκτρική απόσταση πριν από τη μετατροπή σε φως. η οπτική διαδρομή μεταφέρει το σήμα μέσω ινών,όπου η κλιμάκωση της απόστασης είναι πιο ευνοϊκή.

Τα στοιχεία απόδοσης CPO που αναφέρονται από τον προμηθευτή είναι ειδικά για το προϊόν και θα πρέπει να ερμηνεύονται στο πλαίσιο κάθε αρχιτεκτονικής διακόπτη.Τα δημόσια υλικά CPO της NVIDIA περιγράφουν τη βελτιωμένη ανθεκτικότητα του δικτύου και τον διαρκή χρόνο εκτέλεσης των εφαρμογών σε σύγκριση με τα σχέδια που βασίζονται σε ενσωματώσιμο πομπό..Η Broadcom δηλώνει ότι το Tomahawk 6 Davisson CPO Ethernetπαρέχει 102,4 Tbps χωρητικότητας διασύνδεσης και μειώνει την κατανάλωση ισχύος των οπτικών διασυνδέσεων κατά 70% σε σύγκριση με τις παραδοσιακές λύσεις που συνδέονται.

Οι ισχυρισμοί αυτοί είναι σημαντικά σήματα, αλλά δεν πρέπει να γενικεύονται σε όλα τα συστήματα CPO που προσφέρουν πάντα το ίδιο όφελος.Τοπολογία σύνδεσης, θερμικό σχεδιασμό και περιβάλλον ανάπτυξης.

Οι οπτικές διασυνδέσεις εξαρτώνται από μια αλυσίδα εξειδικευμένων τεχνολογιών.

Η αλυσίδα εφοδιασμού μπορεί να κατανοηθεί σε στρώματα:

Τα σύνθετα υποστρώματα ημιαγωγών αποτελούν το σημείο εκκίνησης για πολλές οπτικές συσκευές.Τα InP και GaAs χρησιμοποιούνται επειδή οι ιδιότητες των υλικών τους υποστηρίζουν την παραγωγή και ανίχνευση φωτός με τρόπους που δεν μπορεί να κάνει το πυρίτιο..

Τα υποστρώματα υψηλής ποιότητας είναι απαραίτητα επειδή τα ελαττώματα μπορούν να εξαπλωθούν σε στρώματα συσκευών και να μειώσουν την απόδοση ή την αξιοπιστία.Αυτό έχει σημασία διότι οι ενότητες υψηλής ταχύτητας και οι φωτεινές πηγές CPO απαιτούν σταθερή, επαναλαμβανόμενη οπτική απόδοση.

Τα πλακάκια SOI είναι σημαντικά για τη φωτονική του πυριτίου επειδή παρέχουν την πλατφόρμα για συμπαγείς οπτικούς κυματοδηγούς και ολοκληρωμένες φωτονικές δομές.Αλλά είναι θεμελιώδης εισροή.

Η σημασία του SOI αυξάνεται καθώς η φωτονική του πυριτίου μετακινείται από εξειδικε