片上光互連：未來單芯片算力提升的重要路徑

  ICC訊 今年火爆的AI應(yīng)用也帶火了數(shù)據(jù)中心市場，AI服務(wù)器需求暴增。不僅是AI大模型的規(guī)模在不斷擴(kuò)張至千億級參數(shù)，還有越來越多不同類型的大模型訓(xùn)練和推理，都需要更強(qiáng)大的算力集群。

  在一個多服務(wù)器構(gòu)成的算力系統(tǒng)中，互連速率其實(shí)很大程度上決定著整個系統(tǒng)的性能上限，因此在片間互連方面，也開始采用CPO光電合封技術(shù)，將交換芯片和光電器件封裝在一起，使得光電器件與芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸損耗減小、提高傳輸速度。

  但另一方面，由于半導(dǎo)體晶體管密度的提升速度放緩，單個計算節(jié)點(diǎn)中，比如單張AI加速卡上的芯片采用Chiplet技術(shù)成為了趨勢，即多個小的“芯?！狈庋b在一起，通過互連組成一個整體的計算引擎。而為了提高chiplet設(shè)計的性能，芯片內(nèi)部多個die之間的互連也非常關(guān)鍵。ONoC(Optical Network-on-Chip)片上光互連正是為了解決這個問題。

  片上光互連：晶圓級的光互連網(wǎng)絡(luò)

  從結(jié)構(gòu)上看，片上光互連其實(shí)是一種光子集成芯片技術(shù)，將不同功能的有源器件和無源器件集成在同一塊光電基板上。光電基板上具有光子路由波導(dǎo)，這些波導(dǎo)被用于數(shù)據(jù)通信，和用于電路走線的多層金屬層。CMOS電芯片堆疊在硅光芯片上，在光電基板上形成二維陣列。

  光從基板上的激光光源中發(fā)出，輸入到基板上的路由波導(dǎo)，通過波導(dǎo)到達(dá)光芯片上的調(diào)制器。這個時候電芯片上的信息數(shù)據(jù)，通過電芯片和光芯片之間的微凸塊加載到環(huán)形調(diào)制器中，將數(shù)字1和0轉(zhuǎn)換為光的強(qiáng)度差異。

  調(diào)制后的光信號通過光電基板上的波導(dǎo)傳播，到達(dá)其他光芯片上的光電探測器中。這個時候光信號就被轉(zhuǎn)換成電信號，這些信息就被不同的電芯片所接收。

  當(dāng)然在實(shí)際應(yīng)用中，每個CMOS芯片和光芯片之間，都有數(shù)以千計的微凸塊被用于數(shù)據(jù)傳輸。因為光信號傳播不需要銅導(dǎo)線，損耗小，延遲低，這樣就實(shí)現(xiàn)了在光電基板上進(jìn)行高能效、高帶寬密度、低延遲的光互連。

  從工作原理上看，其實(shí)可以大致分析出片上光互連的核心器件主要是激光器、調(diào)制器和接收器。要想提高片上光互連的傳輸容量，可以使用波分復(fù)用、偏振復(fù)用、模分復(fù)用等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

  目前，針對單一物理維度光信號的復(fù)用、解復(fù)用設(shè)備已經(jīng)相對成熟。為了進(jìn)一步提高片上光互連系統(tǒng)的通道數(shù)量和傳輸容量，多種復(fù)用方式的綜合運(yùn)用成為了重要的研究趨勢。例如，波長-偏振-模式混合復(fù)用等技術(shù)能夠顯著提升片上光互連系統(tǒng)的性能。此外，片上光互連架構(gòu)的設(shè)計與選擇對性能的提升也具有不可忽視的作用。片上光互連架構(gòu)不僅決定了片上網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)的互連方式，同時也影響了路由器的端口數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)鏈路數(shù)量，進(jìn)一步影響了網(wǎng)絡(luò)的時延、功耗和可靠性等性能指標(biāo)。

  因此，綜合運(yùn)用多種復(fù)用方式并優(yōu)化片上光互連架構(gòu)是片上光互連發(fā)展的重要趨勢。

  距離落地應(yīng)用還有多遠(yuǎn)?

  目前片上光互連技術(shù)主要處于實(shí)驗室階段，還未大規(guī)模量產(chǎn)。業(yè)界的主要玩家包括一些高校和研究機(jī)構(gòu)，比如美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校、加州伯克利大學(xué)、荷蘭的埃因霍溫科技大學(xué)和特溫特大學(xué)、美國集成光子制造研究所、中科院半導(dǎo)體所等。另外也有英特爾、曦智科技等廠商在推動相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。

  英特爾在今年的Hot CHIPS會議上，展示了一款代號為“Piuma”的8核528線程處理器，而這款處理器的最大特點(diǎn)在于，采用了硅光子互連，能夠提供1TB/s的光學(xué)帶寬，可以將多達(dá)131,072個芯片連接在一起，形成一個大型共享內(nèi)存的圖形處理超級計算機(jī)。

  在Piuma組成的超級計算機(jī)中，路由器就是網(wǎng)絡(luò)，所有設(shè)備都通過 HyperX 拓?fù)溥M(jìn)行連接，每個機(jī)架內(nèi)將有16個Piuma芯片。不過英特爾目前還未決定Piuma芯片是否會進(jìn)行商業(yè)化，他們表示，如果有客戶提供資金支持，公司將會很樂意生產(chǎn)這款產(chǎn)品。

  曦智科技近幾年一直在片上光互連技術(shù)上努力推進(jìn)商業(yè)化，今年HiPChips會議上，曦智科技展示了其片上光互連技術(shù)上的最新進(jìn)展，該系統(tǒng)的通道數(shù)為512，單通道最長廣播距離為50mm，廣播延時1ns，單通道頻率4GHz，片上總帶寬達(dá)到2Tbps。實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，該計算系統(tǒng)完成多個計算核之間All-to-All的數(shù)據(jù)廣播，這將大幅提高每個計算核的算力利用率。

  而基于該片上光互連技術(shù)，曦智科技正在推動第一款商用級光電混合計算加速卡的商業(yè)化落地，未來將搭載曦智科技自研軟件棧，在商用場景下發(fā)揮片上光互連低延遲、低功耗的優(yōu)勢。

  小結(jié)：

  在芯片受限于制程工藝、晶體管密度提高放緩的情況下，通過芯粒的設(shè)計將多個die封裝在同一基板上成為了突破單芯片性能的一條重要路線。而這條路線的關(guān)鍵在于片上互連技術(shù)的發(fā)展，片上光互連技術(shù)也為未來的chiplet設(shè)計路線提供了更多的可能。

作者： 梁浩斌