人工智能数据中心网络架构与连接技术

逍遥设计自动化

引言

+ E* B0 W  p0 r; R2 ?" U- {随着人工智能和AI生成内容(AIGC)技术的发展，数据中心网络面临着新的挑战。本文探讨人工智能数据中心(AIDC)网络架构的关键要素、新兴技术和创新的连接解决方案[1]。

tbhy55zuyd564063937041.png

图1：传统云数据中心与AI数据中心的架构对比，展示了网络架构的演进特点。
) J: ^, ?  F/ a; l* V网络架构演进

! `# ^0 ?* `3 v/ L6 h+ f' G+ t传统云数据中心在处理AI工作负载时存在显著局限。传统架构主要为外部服务提供设计，带宽汇聚比约为1:3，造成数据流瓶颈。同时，所有内部云服务器需要通过脊柱交换机路由，引入额外延迟，单个网卡带宽上限为200 Gbps，严重限制了整体系统性能。
8 r6 O! I! K, W: {5 y

50f0lb4gvjs64063937142.png

图2：现代AI网络架构的详细图示，展示了组件互连和层次布局。
5 W( M- J8 v2 m# U2 x7 s- P1 t" B
6 b# R6 M$ s/ t! T/ F现代AIDC网络通过实施Fat-Tree架构解决这些限制。这种创新方法通过精确平衡的1:1带宽汇聚比确保无阻塞传输。系统创建八个交换机资源池，实现池内直接单跳通信，将跨集群通信限制在最多三跳范围内。该设计显著优化了数据传输效率。此外，RDMA技术的集成实现主机间直接内存访问，与传统TCP/IP网络相比，延迟性能提高约十倍。
7 K+ e* x' b) j7 P) L0 r% O网络协议解决方案
7 k+ t4 l" c( p4 ?. V0 H: P
5 ?+ q7 c# y0 {/ GAIDC领域主要由InfiniBand和RoCEv2两种网络架构主导，各自在不同部署场景中具有独特优势。
; R) X0 S7 g0 _. H2 o. ~

z3yjbov4xtr64063937242.png

图3：展示InfiniBand网络架构的子网管理器配置和组件图。

1 I- M# c( q& {( Q1 m: {( @/ |InfiniBand网络通过子网管理器(SM)实现集中管理，通常部署在单个服务器上监督子网。这种方法实现全面的网络控制，SM负责维护路由信息并计算交换芯片路由表更新。该架构包含复杂的流量控制机制和自适应路由功能，确保大规模部署中的最佳性能。
" y8 V0 C) @* x2 K) q) G

zzrifb5wrxj64063937342.png

. W/ G- h/ X1 C$ N* x* B2 L" I图4：RoCEv2网络架构图，展示其分布式设计和组件布局。

RoCEv2网络架构采用了不同的网络设计理念。在网络层面运行，同时使用以太网网络层和UDP传输层。这种配置提供更高的可扩展性，并能与现有基础设施无缝集成。其分布式特性通常包含两层，在部署灵活性和成本效益方面具有显著优势。
1 o* A. O* Y* ?* j- s) m传输解决方案

随着AI应用对带宽需求不断提高，行业正快速向800G和1.6T传输能力发展。这些解决方案需要平衡传输距离需求、信号稳定性和成本等多个因素。

0vopf2yh2pe64063937442.png

图5：展示不同速率和距离传输解决方案规格的详细表格。

800G技术已成为AI网络建设的新标准。不同变体满足特定使用场景：800GBASE-SR8和800GBase-VR8用于短距离应用，而800GBase-DR8和800GBase-FR8处理中长距离需求，支持500米到2公里的传输范围。在AIDC内部，AI服务器和接入交换机之间可以使用800G DAC或AOC解决方案直接连接，在保持高性能的同时优化成本。
- D8 x3 `  V7 Z散热解决方案

( J# L3 R& ]" U6 b1 f1 `; {光模块技术的进步带来了功耗管理的新挑战。现代光模块每个消耗高达30W，导致系统总功率需求超过3,000W，需要创新的散热方案。
9 q* A1 k) \: b% Z/ i; q

xgh5muuuzwc64063937542.png

) h4 v  `+ u( U, w) R4 q  t7 O4 d图6：展示数据中心机柜中液冷解决方案的实施图。

6 ~) i+ ?$ V! D+ y液冷技术已经成为一种优越的解决方案，利用液体导热系数比空气高25倍的特性。这项技术能有效管理高功率密度环境中的热量，支持机柜功率负载高达150KW。实施包括专用防水连接器和先进的线缆管理系统，确保液冷环境中的可靠运行。
连接技术创新

4hnvr245p1f64063937643.png

图7：基于EBO技术的MPO连接器设计详图。
6 J& `3 F5 b. ]; _
EBO（扩束光学）技术代表了光纤连接技术的重大进步。这种创新方法在每个光纤端使用两个精确匹配的透镜系统。信号传输时，第一个透镜将其扩展为平行光束，接收端透镜则将这些光束重新聚焦到光纤中。这种精密设计显著提高了传输效率和系统稳定性，特别适用于高密度、大芯数单模光纤应用。
! [' ~( o: s! |! g  ?7 h! i; B
PreConnect技术是另一项关键创新，特别适用于处理跨服务器机房的DCI超多芯单模骨干光缆。该技术无需现场熔接，大幅提高安装效率并简化部署流程。当与EBO技术结合时，PreConnect解决方案可通过单根光缆支持数千个预连接应用，显著提升光纤传输密度。
功耗管理
5 h* a6 X7 z) g7 q: p
随着光模块技术向更高速率发展，功耗管理变得极其重要。从仅需1W功率的10G光模块发展到现今消耗近30W的400G和800G模块，这种演变对数据中心运营提出了重大挑战。

otteiz5vtum64063937743.png

5 W4 D- i' g* U, W6 g. h  C0 N; |2 m图8：不同光模块技术特性的比较分析。
4 j. U+ P6 U, ~1 L( F4 I8 m# m6 K
$ k, h0 o. U) G. v+ s7 }0 a为应对这些挑战，业界开发了线性驱动可插拔光学（LPO）等创新解决方案。这项技术采用全新方法，去除传统DSP和CDR芯片，将连续时间线性均衡和均衡功能直接集成在驱动器和跨阻放大器上。这种集成显著降低了功耗、成本和延迟，同时保持系统性能。
% J1 j2 }* m8 g发展趋势

5G和物联网技术的快速发展不断为AIDC网络创造新的机遇和挑战。随着AI模型规模和复杂度增长，对网络基础设施的要求变得更加复杂。
: M- C5 f6 F5 Y! M2 Q6 S. W

rfasf15uwhy64063937843.png

图9：AI和人类在技术发展中协作的示意图。
" ]' i, [5 M) D& [; w
展望未来，行业正在向更高带宽能力迈进，1.6T传输解决方案正在研发中。这些进步需要在热管理、功率效率和连接密度等领域持续创新。EBO和PreConnect等技术的集成，结合先进的散热解决方案，将在支持下一代AI应用中发挥重要作用。

3 x& N# A7 z3 u/ `% xAIDC网络的未来在于成功平衡多个竞争因素：不断提高的性能要求、功率效率需求以及可靠、可扩展解决方案的需要。这些技术的持续发展将支持更复杂的AI应用，同时保持运营效率和环境可持续性。这种持续发展确保AIDC网络能够继续支持AI技术日益增长的需求，同时解决功耗、散热和数据传输方面的关键挑战。
1 G# \  e6 x+ q$ D 参考文献

+ z5 c( ]. N; ?7 k0 X[1] R. Wan, J. Sun, A. Zhang, V. He, L. Yu, C. Chu, R. Wang, L. Lu, J. Wei, and R. Qiu, "Development Prospects for AI Data Center Network Architecture and Connectivity Technology," Rosenberger, White Paper, May 2024.
END

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。
. A* Z% t4 R8 T. I5 O1 P点击左下角"阅读原文"马上申请

欢迎转载
2 a3 B  ^. A0 n# b, k' U
转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！
, V6 |$ @* O' k# B4 B

oa1cfxdldms64063937943.gif

关注我们

m51v5depybp64063938043.png ( Q. v# H. ^2 }' F; R

4vnylyy5dit64063938143.png

9 g  R, q7 d: O0 I ix02zwaf1fl64063938243.png 3 i0 U  g. P- o% D' v' e

                     

9 d* o# l% q7 b$ A

关于我们：
) K; h+ C3 Y% t2 g0 {! e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。
) z" T$ e! T4 [
$ f" ^, K/ \  b+ W7 `, xhttp://www.latitudeda.com/
" T) K# S5 ]) z/ ~7 o（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）