Технологии будущего центров обработки данных

278

«За последнее десятилетие последовательное внедрение подключаемой оптики 100G, 200G и 400G позволило облачным центрам обработки данных удовлетворить постоянно растущий спрос на множество приложений, таких как потоковое видео, просмотр веб-страниц, социальные сети, облачные вычисления и многие другие. », — говорит Ван Кампенхаут, — «продолжая эту эволюцию, вскоре появятся подключаемые модули 800G, а к 2026 году ожидается появление оптики 1,6T, соединяющей коммутаторы центра обработки данных с помощью одномодового оптоволоконного кабеля на расстоянии сотен метров».

«Постоянное увеличение пропускной способности сетей центров обработки данных обусловлено, с одной стороны, масштабированием КМОП коммутаторов центров обработки данных, а с другой стороны, развитием стандартов приемопередатчиков IEEE Ethernet (TxRx), — продолжает он, — исторически это был самый дешевый приемопередатчик. решения были получены путем минимизации количества параллельных оптических каналов или дорожек. Таким образом, ключевой вектор масштабирования представляет собой скорость передачи данных (или скорость передачи сигналов) оптического приемопередатчика, которая относится к числу символов, которые могут быть переданы в секунду по одному оптическому каналу. Подключаемая оптика 1,6T первого поколения будет реализована с восемью параллельными линиями, каждая из которых будет передавать 200 гигабит в секунду (Гбит/с), за счет масштабирования скорости передачи данных до 100 гигабод (Гбит/с) в сочетании с четырехуровневой амплитудно-импульсной модуляцией (PAM-4). . Для следующего поколения, работающего со скоростью 400 Гбит/с на линию, скорость передачи данных, вероятно, увеличится до 140 Гбит/с, а форматы модуляции станут еще более сложными».

«Ключевой вектор масштабирования — это скорость передачи данных (или скорость передачи сигналов) оптического приемопередатчика, которая относится к количеству символов, которые могут быть переданы в секунду по одному оптическому каналу, — говорит Ван Кампенхаут, — эволюция в сторону более высоких скоростей передачи данных». стимулирует разработку широкополосных электрооптических модуляторов и фотодетекторов. Недостаточная пропускная способность электрооптических каналов приводит к ухудшению качества передачи данных. Это необходимо смягчить с помощью передовой цифровой обработки сигналов (DSP), реализованной в самых передовых узлах CMOS. Но DSP значительно увеличивает мощность, задержку и стоимость. Таким образом, существует очевидный спрос на оптические компоненты с полосой пропускания более 100 ГГц, что значительно уменьшит потребность в DSP».

«За последние годы компания imec усовершенствовала передовую технологию Si-фотоники (SiPho) в рамках программы Optical I/O. Многие электрооптические компоненты на основе кремния и германия были продемонстрированы в полосе пропускания 50 ГГц, что обеспечивает передачу 200 Гбит/с PAM-4 для грядущей сменной оптики первого поколения 1,6 Тл, — говорит Ван Кампенхоу, — недавно мы также реализовали интеграцию высококачественные волноводы SiN на основе химического осаждения из газовой фазы при низком давлении (LPCVD) на нашей платформе SiPho, дополняющие наш набор инструментов высокоточными пассивными оптическими компонентами. Кроме того, мы разработали интерфейсы SiPho для интеграции лазеров III-V на основе флип-чипов, что поможет снизить общую стоимость приемопередатчика. Используя этот процесс, мы недавно продемонстрировали лазерные диоды с распределенной обратной связью (DFB) на основе фосфида индия (InP), прикрепленные к пластинам кремниевой фотоники с точностью выравнивания в пределах 300 нм и потерями связи менее 2 дБ».

«Для скоростей передачи 400 Гбит/с набор инструментов SiPho нуждается в серьезной модернизации, — продолжает он. из «экзотических» электрооптических материалов, таких как LiNbO3БаТиО3 или хромофорные полимеры. Мы предпринимаем усилия по поиску путей ранней интеграции, направленные на гибридную или гетерогенную интеграцию таких материалов, отличных от КМОП, в технологический процесс SiPho, например, изучая такие методы, как микротрансферная печать. Кроме того, IDLab, исследовательская группа imec в Гентском университете, недавно продемонстрировала аналоговую входную электронику SiGe BiCMOS, способную управлять модуляторами SiPho и фотодетекторами со скоростью 200 Гбит/с на линию».

«Недавнее появление крупных генеративных моделей ИИ, таких как ChatGPT, GPT-4 и Lambda, привлекло внимание к важности достаточной пропускной способности сети для высокопроизводительных кластеров ИИ/МО, используемых для обучения таких моделей», — добавляет Ван Кампенхаут. «Подключаемые оптические межсоединения уже начали заменять медные межсоединения в таких вычислительных кластерах, соединяя серверы с несколькими XPU на расстоянии от нескольких до десятков метров. По мере масштабирования этих кластеров до тысяч XPU оптические межсоединения будут постепенно перемещаться в платы и корпуса, чтобы соответствовать высоким требованиям к пропускной способности межсоединений между микросхемами. Эта эволюция оказывает еще большее давление на такие показатели, как плотность полосы пропускания, стоимость, мощность и надежность. Потребуются оптические приемопередатчики с плотностью полосы пропускания несколько Тбит/с/мм, энергопотреблением значительно ниже 5 пДж/бит, малой задержкой канала (<100 нс) и высокой надежностью — и все это по цене 10 центов/Гбит/с или меньше».

«Поскольку кластеры AI/ML будут масштабироваться до тысяч XPU, оптические межсоединения будут постепенно перемещаться в платы и корпуса, чтобы соответствовать высоким требованиям к пропускной способности межсоединений между микросхемами», — говорит Ван Кампенхаут.

«В отличие от сетей центров обработки данных, ограниченные бюджеты мощности и задержки не оставляют или оставляют очень мало места для цифровой обработки сигналов, — продолжает он, — это означает, что оптические каналы должны быть очень «чистыми» с чрезвычайно низким коэффициентом битовых ошибок. Следовательно, для этих систем более подходящим способом масштабирования полосы пропускания является использование большего количества параллельных оптических каналов, каждый из которых работает без ошибок при умеренных скоростях передачи данных в диапазоне 16-64 Гбит/с, с использованием оптических и электрических компонентов, оптимизированных для эффективности, а не чем пропускная способность. Агрессивное мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM) с 8, 16 или более длинами волн, в свою очередь, помогает контролировать общее количество физических оптических каналов. Для соединения оптических модулей ввода-вывода со стеками XPU или памяти с высокой пропускной способностью (HBM) появляется совместно упакованная оптика на уровне пластины, использующая энергоэффективные электрические интерфейсы широкого ввода-вывода для «последней мили». медные межсоединения. Наконец, стоимость и бюджеты оптических каналов все больше стимулируют интеграцию источников света в микросхемы SiPho».

Видение Imec для CPO на уровне пластины (WL-CPO) с агрессивным масштабированием WDM.

«Как для облачных центров обработки данных, так и для кластеров AI/ML пропускная способность сети становится все более важным показателем, определяющим производительность на уровне системы, — продолжает Ван Кампенхаут. принятие промышленностью.

«Недавние исследования сосредоточены, среди прочего, на оптимизации кремниевых кольцевых модуляторов, фильтров WDM и схем для включения маломощных гибридных приемопередатчиков CMOS-SiPho. Архитектуры приемопередатчиков WDM SiPho на основе кольца демонстрируют большой потенциал для реализации показателей производительности, необходимых для кластерных приложений AI/ML. На конференции по оптическим сетям и коммуникациям 2023 года (OFC 2023) компания imec продемонстрировала «безошибочность» (т. е. коэффициент битовых ошибок <10-12) кольцевой CMOS-SiPho трансивер с потреблением оптической энергии всего 3,5 пДж/бит. Решение масштабируется до плотности полосы пропускания 800 Гбит/с/мм с использованием 8 длин волн».

«Переход к приемопередатчикам SiPho с растущим числом оптических каналов связан с более высоким риском потери производительности, — добавляет он, — этого следует избегать, насколько это возможно, с точки зрения затрат. Поэтому, чтобы измерить и впоследствии повысить производительность, мы разрабатываем решения в масштабе пластины для тестирования заведомо исправных кристаллов (KGD) приемопередатчиков SiPho».

«Совместно упакованная оптика на уровне пластины в сочетании с агрессивным WDM считается жизнеспособным подходом к волоконно-оптическим каналам связи 2–4 Тбит/с/мм для системных приложений AI/ML с энергопотреблением до 1–2 пДж/бит», — продолжает Ван. Кампенхаут, «но к концу десятилетия мы ожидаем потребность в оптических межсоединениях с плотностью полосы пропускания, приближающейся к 10 Тбит/с/мм, при энергопотреблении значительно ниже 1 пДж/бит. Недавно мы начали работу по поиску пути к оптическим межсоединениям на уровне пластины, что является нашим долгосрочным видением оптического ввода-вывода между чипами со сверхвысокой пропускной способностью. Эта глубоко интегрированная технология оптического ввода-вывода в конечном итоге обеспечит массовую параллельную оптическую связь XPU-XPU, обещая огромный прирост производительности системы».

«К концу десятилетия мы ожидаем, что потребность в оптических межсоединениях достигнет плотности полосы пропускания 10 Тбит/с/мм при энергопотреблении значительно ниже 1 пДж/бит», — говорит он.

«С момента запуска программы оптического ввода-вывода в 2010 году компания imec приобрела множество ноу-хау в разработке фотоники, интегрированной в кремний, тем самым используя десятилетия знаний по интеграции КМОП. Кроме того, расширенные реализации совместно упакованной оптики требуют передовых технологий 3D-интеграции, в отношении которых мы можем положиться на многолетний опыт, накопленный в рамках программы imec по 3D-системной интеграции. В той же области наше долгосрочное видение внедрения оптических межсоединений в пакетах на уровне пластины должно быть подкреплено анализом на системном уровне, для которого мы сотрудничаем с командой imec по совместной оптимизации системных технологий (STCO). Уникальная доступность таких разнообразных компетенций под одной крышей вместе с сильным присутствием нашей партнерской экосистемы способствует обмену идеями и ускоряет разработку очень сложных систем и технологий».

«И наоборот, разработки в контексте программы оптического ввода-вывода подпитывают другие ориентированные на приложения интегрированные фотонные мероприятия, проводимые в рамках imec, такие как LiDAR следующего поколения, квантовая криптография, здоровье потребителей, медицинская диагностика и агропродовольствие — некоторые из них в сотрудничестве с партнерами из голландской экосистемы PhotonDelta», — заключает Ван Кампенхаут.

Читать полную новость на сайте