Hot Chips 2024 | Intel的光计算互连（Optical Compute Interconnect，OCI）

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引言
6 f8 C9 [, v# v% Q在计算和数据通信技术不断发展的今天，对更快、更高效、更高带宽解决方案的需求持续增长。本文旨在帮助读者了解光计算互连（Optical Compute Interconnect，OCI）。OCI是下一代计算架构和数据中心的极具潜力的解决方案。我们将探讨OCI背后的原理、相比传统互连技术的优势，以及该领域的最新发展。

光通信的演进

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图1：展示了光通信从电信时代到人工智能时代的演进，突出了向更高密度和更低功耗的转变。

光通信技术自诞生以来已经走过了漫长的道路。最初为远距离电信而开发，现在已经进入数据中心，最近更是应用到计算架构中。这种演进可以分为三个不同的时代：

电信时代：特点是长距离通信，跨越数百公里，依赖低损耗光纤和分立光学组件。为了在长距离上保持信号完整性，需要大量的数字信号处理（DSP）。

数据通信时代：随着光技术进入数据中心，焦点转向短距离（小于2公里）的低功耗解决方案。这个时代见证了光电子技术的集成，特别是硅基光电子，以及DSP功能的减少。

人工智能时代：当前时代由机架级距离（小于100米）的高密度、低功耗解决方案需求驱动。具有更大规模的光电子集成和先进的封装技术。
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+ {* h" B7 Z1 F. {% \1 w$ K- I光电共封装和光计算互连
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( a5 q9 b' v: F& `* N- D/ B' S. {图2：比较了以太网CPO和光计算互连（OCI）的使用案例，突出了不同的要求和应用。

随着我们朝着更集成的光学解决方案发展，两种主要方法已经出现：

CPO：主要用于网络应用，CPO旨在降低功耗和成本，同时保持与现有以太网标准的兼容性。

光计算互连（OCI）：为计算架构设计，特别是在人工智能和机器学习应用中，OCI专注于用光学解决方案替代铜互连。提供更高的带宽密度、更长的距离以支持更大的集群，以及更低的功耗。
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CPO和OCI的主要区别在于要求和使用场景。CPO需要保持与现有以太网标准的互操作性，而OCI可以针对特定的计算应用进行优化，可能提供更大的性能优势。
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" U1 E1 g/ E, V6 i* OOCI：应对现代计算挑战

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图3：概述了OCI的关键性能指标（KPI）和扩展方向，包括功耗、带宽密度和延迟目标。
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OCI旨在解决现代计算环境中的几个关键挑战：

功率效率：目标是实现小于3.5 pJ/bit，比当前解决方案降低80%。

延迟：OCI的目标是实现小于10ns的延迟，加上传输时间。

带宽密度：目标是超过1.5 Tbps/mm的封装边缘。

总带宽：OCI的目标是每根光纤2 Tbps。
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为了实现这些雄心勃勃的目标，OCI利用了几项关键技术和设计原则：

集成光电子技术：更多的光电子功能集成到光电子集成芯片中，主要使用硅基光电子技术。

异构集成：使用先进的封装技术将光电子集成芯片与最优秀的集成线路（IC）结合，创建光学引擎。

紧密集成：光学引擎与主机（XPU或交换机）紧密集成，以实现新的系统和应用。
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9 J+ @4 X' V7 z英特尔的4 Tbps OCI解决方案
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图4：概述了英特尔的4 Tbps OCI解决方案，展示了光电子集成芯片（PIC）和电子集成线路（EIC）与主机XPU的集成。

5 a$ B: j0 s+ c0 o  w7 n英特尔开发了4 Tbps OCI解决方案，展示了这项技术的潜力。该解决方案的主要特点包括：

带宽：每个方向2 Tbps（8根光纤 x 8个波长 x 32 Gb/s）

兼容性：设计为与现有计算生态系统兼容，可连接到计算平台上的标准I/O端口

直接驱动：利用来自主机PCIe5（和UPI）SERDES的未重定时直接驱动

面向未来：支持下一代未重定时PCIe6（64 Gb/s PAM4）连接和未来的协同优化并行接口设计
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英特尔OCI解决方案的核心是其硅基光电子集成芯片（PIC）：
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图5：显示了英特尔4 Tb/s硅基光电子集成芯片的布局和关键组件，包括激光器、调制器和光电探测器。

, o9 ?7 l2 K: |2 ~9 b' }# b/ m这个PIC集成了几项先进特性：

支持并行和串行主机接口

针对功率效率和紧凑尺寸进行优化

高产量硅基光电子平台

8根光纤 x 8个波长 x 64 Gbaud（面向未来的设计）

共享激光器和半导体光放大器（SOA）

高速环形调制器和锗光电探测器（PD）

用于解复用的微环滤波器

偏振分集接收器

V形槽无源光纤耦合或可拆卸光纤连接器
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英特尔OCI解决方案的一个关键创新是将III-V材料（如InP）与硅基光电子集成：
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6 c. F- Q1 f9 i* l/ @" E6 h图6：说明了将III-V材料与硅基光电子集成的价值，展示了混合激光器结构，并强调了在可靠性、性能和成本方面的优势。

6 }' i9 c$ b/ c( u, U这种集成提供了几个优势：

提高可靠性：根据现场数据，实现0.1 FIT（单位时间内的故障率）

增强性能：在1400个8波长阵列中，WDM网格的变化小于±15 GHz

成本效益高的生产：实现晶圆级制造，超过1100万个激光器在晶圆上内置和测试
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演示和性能
* t9 J8 O6 q- w/ \) ~1 r英特尔成功使用OCI解决方案实现了CPU到CPU的通信：
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图7：展示了平台间BER（误码率）测试的设置，包括眼图余量测量和传输信号的频谱分析。
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演示取得了以下结果：

成功实现两个CPU之间32 Gb/s/通道的PRBS31数据传输

均匀的激光器波长间隔和清晰的眼图，表明OCI发射器性能良好

正的眼图余量和约1e-13的BER，证明OCI接收器和整体链路性能良好
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未来扩展和发展

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( o0 {. Z  q6 s! d1 J7 w3 V, J图8：展示了OCI和CPO未来带宽扩展的选项，包括增加波长、提高调制率和增加光纤数量。

" c) o( e5 p4 a$ d: H随着OCI技术的不断发展，正在探索几种未来扩展的途径：

增加波长数量：16波长系统的开发正在进行中

更高的调制率：在计算应用中，从32G转向64G，最终达到128G

增加光纤数量：通过紧凑型连接器设计实现，允许更高的带宽和更高的基数

支持高速以太网CPO：具备224G/通道以太网的高速线性接口能力
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结论
( F4 R. d5 m+ c' K7 h1 Y/ V光计算互连代表了现代计算环境中高速数据通信的重大进步。通过利用先进的硅基光电子技术和创新的封装技术，OCI在带宽密度、功率效率和延迟方面提供了显著的改进。

英特尔展示的两个CPU之间完全功能的4 Tbps OCI链路，展示了这项技术在革新数据中心和高性能计算架构方面的潜力。随着OCI继续发展和扩展，将在实现下一代人工智能、机器学习和数据密集型应用中发挥关键作用。

参考文献
; {1 a$ n+ A; P2 V4 C) s7 l# d3 X[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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