這類(lèi)光芯片，全球首款

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隨著人工智能數(shù)據(jù)中心對(duì)帶寬和功率的需求不斷增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模必須從電信號(hào)傳輸向光信號(hào)傳輸轉(zhuǎn)型，但共封裝光器件中卻一直缺少一個(gè)關(guān)鍵組件：激光器本身。這種情況即將改變。上個(gè)月，Tower Semiconductor和Scintil Photonics宣布推出全球首款用于人工智能基礎(chǔ)設(shè)施的單芯片 DWDM 光引擎。DWDM（密集波分復(fù)用）技術(shù)可在單根光纖上傳輸多個(gè)光信號(hào)，從而在連接數(shù)十個(gè)GPU 的同時(shí)，大幅降低功耗和延遲。

Scintil Photonics的首席執(zhí)行官 Matt Crowley表示，光復(fù)用技術(shù)并非新概念。事實(shí)上，它與互聯(lián)網(wǎng)本身一樣古老。上世紀(jì) 90 年代，電信公司在街道上鋪設(shè)了大量光纖，當(dāng)時(shí)他們認(rèn)為每根光纖傳輸一個(gè)波長(zhǎng)最終會(huì)成為標(biāo)準(zhǔn)做法。然而，當(dāng)電信行業(yè)意識(shí)到可以通過(guò)復(fù)用技術(shù)在單根光纖上傳輸數(shù)十個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，整個(gè)行業(yè)發(fā)生了革命性的變化。

DWDM技術(shù)尚未在專(zhuān)門(mén)用于人工智能應(yīng)用的數(shù)據(jù)中心部署的原因在于，該技術(shù)目前還無(wú)法滿足成本和需求的擴(kuò)展性要求。“人工智能數(shù)據(jù)中心內(nèi)部傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量相當(dāng)于大規(guī)模擴(kuò)展一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)，”克勞利說(shuō)道。具體而言，挑戰(zhàn)在于縱向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，即直接連接機(jī)架或集群內(nèi)的加速器——這與橫向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)（連接數(shù)據(jù)中心內(nèi)的不同集群）截然不同。要使數(shù)十個(gè)GPU和內(nèi)存作為一個(gè)整體協(xié)同工作，需要無(wú)縫的帶寬和極低的延遲。

為了提高人工智能數(shù)據(jù)中心的帶寬、降低延遲并提升能源效率，網(wǎng)絡(luò)工程師一直在橫向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)中用光纖鏈路取代銅纜鏈路。現(xiàn)在，所有人的目光都轉(zhuǎn)向了縱向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)將光組件集成到與處理器相同的封裝中，使光纖鏈路更靠近處理器本身——這種概念被稱(chēng)為共封裝光器件（CPO）。

克勞利表示：“大型芯片公司生產(chǎn)的所有產(chǎn)品都涉及將光芯片鍵合到其GPU上。” CPO（光耦合光耦合器）成為處理器的輸入/輸出芯片。但是，如果沒(méi)有可擴(kuò)展的方法將激光器本身集成到同一硅工藝流程中，就無(wú)法將多個(gè)波長(zhǎng)的光通過(guò)每根光纖傳輸?shù)絾蝹€(gè)芯片上。

面向人工智能網(wǎng)絡(luò)的集成光子學(xué)

Scintil公司的“SHIP”（Scintil異質(zhì)集成光子學(xué)）技術(shù)將激光器、光電二極管、調(diào)制器和其他組件集成到大規(guī)模生產(chǎn)的硅晶圓上。“這是我們版本的CMOS技術(shù)，”克勞利說(shuō)，但我們采用了一些技巧來(lái)克服將光增益材料綁定到硅上的固有挑戰(zhàn)。

該工藝首先使用Tower Semiconductors公司提供的標(biāo)準(zhǔn)300毫米硅光子晶圓，該晶圓包含無(wú)源光學(xué)元件。接下來(lái)，將晶圓翻轉(zhuǎn)，露出其埋入式氧化層。將微小的未圖案化InP/III-V族半導(dǎo)體芯片精確鍵合到該氧化層上，并精確地定位到每個(gè)激光器所需的位置，從而最大限度地減少昂貴半導(dǎo)體材料的用量。最后，利用光刻工具蝕刻衍射光柵，形成八個(gè)分布式反饋激光器。

克勞利說(shuō)：“我們并非在重新發(fā)明激光。” 而是說(shuō)，先進(jìn)的光刻技術(shù)能夠比傳統(tǒng)制造工藝在硅晶圓上實(shí)現(xiàn)更精確的間距和更穩(wěn)定的波長(zhǎng)。

最終產(chǎn)品是“ LEAF Light ”光子集成電路，這是一款集成了兩組八個(gè)分布式反饋陣列的芯片。每個(gè)光纖端口可提供八個(gè)或十六個(gè)波長(zhǎng)，通道間隔為100或200吉赫茲，以確保無(wú)重疊或模式跳變。第二個(gè)專(zhuān)用集成電路芯片（ASIC）則承載了控制和監(jiān)測(cè)激光陣列所需的所有電子元件。

利用多波長(zhǎng)激光器推進(jìn)CPO技術(shù)

克勞利表示：“這是將激光器集成到CPO芯片上。”英偉達(dá)和博通已經(jīng)部署了每根光纖使用一個(gè)波長(zhǎng)的CPO，證明了其在橫向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)中的可行性。“我們正在為縱向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)下一代CPO。”

通過(guò)單根光纖傳輸多個(gè)波長(zhǎng)，推動(dòng)業(yè)界朝著理想的“慢速寬帶寬”架構(gòu)邁進(jìn)。例如，LEAF Light芯片并非在單個(gè)通道（或波長(zhǎng)）上傳輸400 Gb/s的數(shù)據(jù)，而是將50 Gb/s的數(shù)據(jù)分布在8個(gè)通道上，從而顯著提升了單根光纖的數(shù)據(jù)容量和整體能效。該設(shè)計(jì)可在單根光纖中實(shí)現(xiàn)高達(dá)1.6 Tbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，而英偉達(dá)最近的路線圖顯示，未來(lái)的DWDM互連技術(shù)最終有望實(shí)現(xiàn)低于1皮焦耳/比特的功耗。

克勞利認(rèn)為，最重要的優(yōu)勢(shì)或許在于延遲。“我需要保持GPU之間的低延遲，”他說(shuō)道。如果任何一個(gè)處理器運(yùn)行速度超過(guò)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的速度，GPU就會(huì)一直等待數(shù)據(jù)位進(jìn)行處理——在擁有數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)GPU的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中，這個(gè)問(wèn)題會(huì)被放大。在高帶寬信道上進(jìn)行前向處理和糾錯(cuò)會(huì)增加延遲過(guò)高的概率。“GPU的利用率會(huì)急劇下降，”克勞利說(shuō)道。使用低帶寬的DWDM連接多個(gè)GPU可以將利用率提高一倍。

Scintil 和 Tower 計(jì)劃在 2026 年底前向客戶提供數(shù)萬(wàn)臺(tái)設(shè)備，并計(jì)劃明年將產(chǎn)量提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。到 2028 年，當(dāng)客戶計(jì)劃在規(guī)模化網(wǎng)絡(luò)中部署 DWDM 時(shí)，供應(yīng)鏈將準(zhǔn)備就緒。“我們對(duì)它可能帶來(lái)的各種可能性感到興奮，”Crowley 表示。

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（來(lái)源：編譯自IEEE）

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