Hot Chips 2024 | Intel的光計(jì)算互連（Optical Compute Interconnect，OCI）

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
在計(jì)算和數(shù)據(jù)通信技術(shù)不斷發(fā)展的今天，對(duì)更快、更高效、更高帶寬解決方案的需求持續(xù)增長(zhǎng)。本文旨在幫助讀者了解光計(jì)算互連（Optical Compute Interconnect，OCI）。OCI是下一代計(jì)算架構(gòu)和數(shù)據(jù)中心的極具潛力的解決方案。我們將探討OCI背后的原理、相比傳統(tǒng)互連技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，以及該領(lǐng)域的最新發(fā)展。

0 r) l- F1 @* o: b8 X光通信的演進(jìn)
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圖1：展示了光通信從電信時(shí)代到人工智能時(shí)代的演進(jìn)，突出了向更高密度和更低功耗的轉(zhuǎn)變。
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; V' {; I9 [( j% U; E( a光通信技術(shù)自誕生以來(lái)已經(jīng)走過(guò)了漫長(zhǎng)的道路。最初為遠(yuǎn)距離電信而開發(fā)，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入數(shù)據(jù)中心，最近更是應(yīng)用到計(jì)算架構(gòu)中。這種演進(jìn)可以分為三個(gè)不同的時(shí)代：

電信時(shí)代：特點(diǎn)是長(zhǎng)距離通信，跨越數(shù)百公里，依賴低損耗光纖和分立光學(xué)組件。為了在長(zhǎng)距離上保持信號(hào)完整性，需要大量的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）。

數(shù)據(jù)通信時(shí)代：隨著光技術(shù)進(jìn)入數(shù)據(jù)中心，焦點(diǎn)轉(zhuǎn)向短距離（小于2公里）的低功耗解決方案。這個(gè)時(shí)代見證了光電子技術(shù)的集成，特別是硅基光電子，以及DSP功能的減少。

人工智能時(shí)代：當(dāng)前時(shí)代由機(jī)架級(jí)距離（小于100米）的高密度、低功耗解決方案需求驅(qū)動(dòng)。具有更大規(guī)模的光電子集成和先進(jìn)的封裝技術(shù)。
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光電共封裝和光計(jì)算互連
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圖2：比較了以太網(wǎng)CPO和光計(jì)算互連（OCI）的使用案例，突出了不同的要求和應(yīng)用。

隨著我們朝著更集成的光學(xué)解決方案發(fā)展，兩種主要方法已經(jīng)出現(xiàn)：

CPO：主要用于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，CPO旨在降低功耗和成本，同時(shí)保持與現(xiàn)有以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的兼容性。

光計(jì)算互連（OCI）：為計(jì)算架構(gòu)設(shè)計(jì)，特別是在人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用中，OCI專注于用光學(xué)解決方案替代銅互連。提供更高的帶寬密度、更長(zhǎng)的距離以支持更大的集群，以及更低的功耗。
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# F1 G$ E/ h+ _6 q3 x, vCPO和OCI的主要區(qū)別在于要求和使用場(chǎng)景。CPO需要保持與現(xiàn)有以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的互操作性，而OCI可以針對(duì)特定的計(jì)算應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，可能提供更大的性能優(yōu)勢(shì)。

OCI：應(yīng)對(duì)現(xiàn)代計(jì)算挑戰(zhàn)
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8 r  K1 ]: E4 m- P2 D7 \圖3：概述了OCI的關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI）和擴(kuò)展方向，包括功耗、帶寬密度和延遲目標(biāo)。

7 Z# Y  B5 t, AOCI旨在解決現(xiàn)代計(jì)算環(huán)境中的幾個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：

功率效率：目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)小于3.5 pJ/bit，比當(dāng)前解決方案降低80%。

延遲：OCI的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)小于10ns的延遲，加上傳輸時(shí)間。

帶寬密度：目標(biāo)是超過(guò)1.5 Tbps/mm的封裝邊緣。

總帶寬：OCI的目標(biāo)是每根光纖2 Tbps。
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3 U, w" j( Q) x7 O% o為了實(shí)現(xiàn)這些雄心勃勃的目標(biāo)，OCI利用了幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計(jì)原則：

集成光電子技術(shù)：更多的光電子功能集成到光電子集成芯片中，主要使用硅基光電子技術(shù)。

異構(gòu)集成：使用先進(jìn)的封裝技術(shù)將光電子集成芯片與最優(yōu)秀的集成線路（IC）結(jié)合，創(chuàng)建光學(xué)引擎。

緊密集成：光學(xué)引擎與主機(jī)（XPU或交換機(jī)）緊密集成，以實(shí)現(xiàn)新的系統(tǒng)和應(yīng)用。
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7 s9 e8 x0 x' E4 R; v5 Y; e英特爾的4 Tbps OCI解決方案

圖4：概述了英特爾的4 Tbps OCI解決方案，展示了光電子集成芯片（PIC）和電子集成線路（EIC）與主機(jī)XPU的集成。
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# ]3 p# Q3 A1 \# R, b英特爾開發(fā)了4 Tbps OCI解決方案，展示了這項(xiàng)技術(shù)的潛力。該解決方案的主要特點(diǎn)包括：

帶寬：每個(gè)方向2 Tbps（8根光纖 x 8個(gè)波長(zhǎng) x 32 Gb/s）

兼容性：設(shè)計(jì)為與現(xiàn)有計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)兼容，可連接到計(jì)算平臺(tái)上的標(biāo)準(zhǔn)I/O端口

直接驅(qū)動(dòng)：利用來(lái)自主機(jī)PCIe5（和UPI）SERDES的未重定時(shí)直接驅(qū)動(dòng)

面向未來(lái)：支持下一代未重定時(shí)PCIe6（64 Gb/s PAM4）連接和未來(lái)的協(xié)同優(yōu)化并行接口設(shè)計(jì)
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英特爾OCI解決方案的核心是其硅基光電子集成芯片（PIC）：
) D! w+ M9 r9 @; U; z& ]4 F. y0 _: L& v
+ F  j) t7 i% W6 M# H5 U圖5：顯示了英特爾4 Tb/s硅基光電子集成芯片的布局和關(guān)鍵組件，包括激光器、調(diào)制器和光電探測(cè)器。
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+ ]; A2 L, J: f: q) p1 h- R5 W1 A! J這個(gè)PIC集成了幾項(xiàng)先進(jìn)特性：

支持并行和串行主機(jī)接口

針對(duì)功率效率和緊湊尺寸進(jìn)行優(yōu)化

高產(chǎn)量硅基光電子平臺(tái)

8根光纖 x 8個(gè)波長(zhǎng) x 64 Gbaud（面向未來(lái)的設(shè)計(jì)）

共享激光器和半導(dǎo)體光放大器（SOA）

高速環(huán)形調(diào)制器和鍺光電探測(cè)器（PD）

用于解復(fù)用的微環(huán)濾波器

偏振分集接收器

V形槽無(wú)源光纖耦合或可拆卸光纖連接器
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英特爾OCI解決方案的一個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新是將III-V材料（如InP）與硅基光電子集成：

3 L) o4 K. {- Q, u3 d圖6：說(shuō)明了將III-V材料與硅基光電子集成的價(jià)值，展示了混合激光器結(jié)構(gòu)，并強(qiáng)調(diào)了在可靠性、性能和成本方面的優(yōu)勢(shì)。

這種集成提供了幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：

提高可靠性：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)0.1 FIT（單位時(shí)間內(nèi)的故障率）

增強(qiáng)性能：在1400個(gè)8波長(zhǎng)陣列中，WDM網(wǎng)格的變化小于±15 GHz

成本效益高的生產(chǎn)：實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)制造，超過(guò)1100萬(wàn)個(gè)激光器在晶圓上內(nèi)置和測(cè)試
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演示和性能
英特爾成功使用OCI解決方案實(shí)現(xiàn)了CPU到CPU的通信：

圖7：展示了平臺(tái)間BER（誤碼率）測(cè)試的設(shè)置，包括眼圖余量測(cè)量和傳輸信號(hào)的頻譜分析。

演示取得了以下結(jié)果：

成功實(shí)現(xiàn)兩個(gè)CPU之間32 Gb/s/通道的PRBS31數(shù)據(jù)傳輸

均勻的激光器波長(zhǎng)間隔和清晰的眼圖，表明OCI發(fā)射器性能良好

正的眼圖余量和約1e-13的BER，證明OCI接收器和整體鏈路性能良好
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, Y2 {9 s( Y# ]' ?未來(lái)擴(kuò)展和發(fā)展

圖8：展示了OCI和CPO未來(lái)帶寬擴(kuò)展的選項(xiàng)，包括增加波長(zhǎng)、提高調(diào)制率和增加光纖數(shù)量。

7 B* y6 t) i' K% ]隨著OCI技術(shù)的不斷發(fā)展，正在探索幾種未來(lái)擴(kuò)展的途徑：

增加波長(zhǎng)數(shù)量：16波長(zhǎng)系統(tǒng)的開發(fā)正在進(jìn)行中

更高的調(diào)制率：在計(jì)算應(yīng)用中，從32G轉(zhuǎn)向64G，最終達(dá)到128G

增加光纖數(shù)量：通過(guò)緊湊型連接器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，允許更高的帶寬和更高的基數(shù)

支持高速以太網(wǎng)CPO：具備224G/通道以太網(wǎng)的高速線性接口能力
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2 I+ ^) c0 x0 A9 T3 W1 ^7 o& x6 Y結(jié)論
+ ^; N) a( p0 z9 s; F  Y/ E+ o$ L( Q光計(jì)算互連代表了現(xiàn)代計(jì)算環(huán)境中高速數(shù)據(jù)通信的重大進(jìn)步。通過(guò)利用先進(jìn)的硅基光電子技術(shù)和創(chuàng)新的封裝技術(shù)，OCI在帶寬密度、功率效率和延遲方面提供了顯著的改進(jìn)。

1 C9 f+ U. A4 k4 K4 ^( m7 _& V1 C英特爾展示的兩個(gè)CPU之間完全功能的4 Tbps OCI鏈路，展示了這項(xiàng)技術(shù)在革新數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算架構(gòu)方面的潛力。隨著OCI繼續(xù)發(fā)展和擴(kuò)展，將在實(shí)現(xiàn)下一代人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

參考文獻(xiàn)
[1] S. Fathololoumi, "4 Tb/s Optical Compute Interconnect Chiplet for XPU-to-XPU Connectivity," in 2024 Hot Chips Symposium, Aug. 2024.

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