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

逍遥设计自动化

引言
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。

! |0 ^( }" q9 |+ U0 q# p: @2 c* }光通信的演进

k2bboqyzvep6409029157.png

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。

7 N) f: H& \7 b! N! H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。
[/ol]
光电共封装和光计算互连
, c! Z3 l0 j% Z

jkvftu1opro6409029257.png

$ B! \( o- k- A! ^! t9 B3 c6 ?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。
. b5 K; {" \/ y7 s& o
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。
[/ol]
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。
4 {/ v- I/ o$ k( v5 b
OCI：应对现代计算挑战

yxr4dkszydd6409029357.png

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。
$ G4 P, G9 m3 B8 S3 w/ [+ P# w. g5 H
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。
[/ol]
$ e+ C0 V% E% h, B) F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。
[/ol]
6 C; x% K/ s! U7 o) G# p
. t  ?: f' f2 J! f英特尔的4 Tbps OCI解决方案
& e  v! Q3 }8 o8 l6 d0 _

yqm1k3srt2y6409029457.png

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。
2 Y7 O# L- p8 ]) C0 |
  z5 q2 @/ @, }7 N, E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
[/ol]
英特尔OCI解决方案的核心是其硅基光电子集成芯片（PIC）：
  z4 t: y+ G: d  c

n1tn5mtdxqv6409029558.png

3 U& N  H5 J1 s3 I4 T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。

- O. D: i+ ]2 D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
( J3 F8 X- ^5 ^$ t+ |[/ol]
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：
* P5 @& g) f" w" F

dw51ibgw1eu6409029658.png

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。
0 W0 B+ T& y+ d  D+ Z
( `$ g1 Q- c% h& a+ Q. w5 m! P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
7 J9 I$ g2 I; p8 k8 `7 s5 \4 ^3 Y[/ol]
. H* @8 p4 I; p& B- m  x3 H
( O* f4 V: j& ^. ~; G* j& }演示和性能
英特尔成功使用OCI解决方案实现了CPU到CPU的通信：

v3pj2y2by1h6409029758.png

# a2 A' b# W* t5 x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。

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
[/ol]
7 V# z0 V5 e; K) b
未来扩展和发展

41foo3hky1y6409029858.png

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。
2 l# P0 V7 ^& h1 O, a* ]' b
+ Z% f& o5 _, v  w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
" B( x8 [+ A5 N! ?- `[/ol]
! _, n2 m* g# q+ @结论
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。

- U" X& f& r( v) z7 I) c8 z) ]6 X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] S. Fathololoumi, "4 Tb/s Optical Compute Interconnect Chiplet for XPU-to-XPU Connectivity," in 2024 Hot Chips Symposium, Aug. 2024.
9 [* N9 s1 b2 v
$ R# I' c& \) Q2 @% F- END -
6 ^: L# {) x5 f& b
软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
点击左下角"阅读原文"马上申请

7 v, e) x1 L* j欢迎转载

转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！
  ~1 O- A4 q! g5 k  n5 u
) \- I% t8 `3 q" h$ T" j: w( y

hqawi4qjos46409029958.gif

" w9 L$ n4 H1 U4 O+ m1 M3 W. ^关注我们

0 g/ Y$ a1 b( K- m) y, x+ Z% b/ v

sn4gyzqrl4h6409030058.png + k3 u( Q+ \& i3 A* t; e$ O

nzqj1tdxbud6409030159.png 6 j6 A  x9 ~2 [( |* I" M

yaqmjpachq26409030259.png 5 z( C+ V: ~/ u: Q( d2 U& ~: N: N

                     
3 U7 k+ [$ s5 E5 ?/ a$ v7 K3 ]
4 t/ ~3 H4 [' L9 z. Z5 z/ [+ k

0 p6 z9 a2 y3 d7 L
( a- |5 F  n% a5 f) {
) q+ b  M7 X5 t" a. T
% K3 w1 |# [" P3 d6 N% X/ |关于我们：
  D# Z+ Y0 w* U; R) y深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
9 P0 T) Z8 j0 i
http://www.latitudeda.com/
8 x+ Y7 e) `2 r6 ^（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）