英特爾又一芯粒技術(shù)重大突破！專為消除AI數(shù)據(jù)瓶頸

越來越多的大模型、AI應(yīng)用，以及龐大的服務(wù)器集群，給原有基礎(chǔ)設(shè)施和底層技術(shù)帶來了直接挑戰(zhàn)。高速、大帶寬的網(wǎng)絡(luò)連接，支持數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)慕鉀Q方案，成為AI下一步發(fā)展的關(guān)鍵支撐。

前不久的2024年光纖通信大會（OFC）上，英特爾展示了與其CPU封裝在一起的集成OCI（光學(xué)計算互連）芯粒，該項技術(shù)雖然尚處于技術(shù)原型（prototype）階段，但是對于在新興AI基礎(chǔ)設(shè)施中實現(xiàn)光學(xué)I/O（輸入/輸出）共封裝已經(jīng)實現(xiàn)了關(guān)鍵突破，是推動高帶寬互連創(chuàng)新的關(guān)鍵一步。

該OCI芯?？稍谧铋L100米的光纖上，單向支持64個32Gbps 通道，有助于實現(xiàn)可擴展的CPU和GPU集群連接，和包括一致性內(nèi)存擴展及資源解聚的新型計算架構(gòu)。雖然英特爾尚未公開這一OCI芯粒的確切尺寸，但最近發(fā)布的一張照片中，也可以直觀感受到OCI芯粒與標準2號鉛筆末端橡皮擦的尺寸對比。

據(jù)介紹，第一代OCI芯粒雙向數(shù)據(jù)傳輸速度達4Tbps，功耗約為每比特5皮焦耳（pJ）。英特爾正致力于對器件和封裝設(shè)計、制造工藝和帶寬擴展的各種改進，以期在后續(xù)幾代產(chǎn)品中將能效降低到每比特3.5皮焦耳以下。

傳統(tǒng)電氣I/O逼近極限，硅光互連展現(xiàn)優(yōu)勢

英特爾研究院副總裁、英特爾中國研究院院長宋繼強在接受<與非網(wǎng)>等媒體采訪時表示，AI大模型對計算密度和內(nèi)存提出了很高要求，包括大容量和高帶寬，此外，存算比顯著提升，接近一比一，這進一步加劇了帶寬挑戰(zhàn)。下一步，隨著AI應(yīng)用普及，云、邊緣計算及領(lǐng)域內(nèi)模型的并發(fā)調(diào)用需求將激增，更需要業(yè)界加快探索新技術(shù)，提升算力和存儲密度，同時降低功耗和體積，以適應(yīng)有限空間內(nèi)的高密度計算和存儲需求。

一直以來，銅線實現(xiàn)芯片間的互連較為高效節(jié)能，但傳輸距離不超一米。長距離傳輸時它的短板明顯，因為需要提高驅(qū)動電壓以保持信號完整性，從而增加了功耗開支，這使它難以滿足跨機架以及跨數(shù)據(jù)中心集群部署的長距離連接需求。

“硅光互連被認為是應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。在相對較長的距離內(nèi)，采用光纖進行互連，能夠大幅提高傳輸帶寬速率；在I/O層面，可以通過包含片上激光器的PIC（硅光子集成電路）發(fā)射和接收光線，并實現(xiàn)光信號和數(shù)字信號的相互轉(zhuǎn)換，這些集成電路可在現(xiàn)有的晶圓生產(chǎn)線上實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，十分方便”，宋院長指出。

當硅光技術(shù)以其節(jié)能特性越來越受到重視的時候，英特爾融合了兩大核心技術(shù)的獨特優(yōu)勢也顯現(xiàn)出來：首先，融合了半導(dǎo)體（特別是硅材料）發(fā)光和檢測光的能力，實現(xiàn)了與現(xiàn)有基于硅的生產(chǎn)流程的集成；其次，支持大規(guī)模集成電路設(shè)計，包括硅與非硅晶體管的混合集成，進一步擴展了硅光技術(shù)的應(yīng)用范圍。

據(jù)介紹，這一完全集成的OCI芯粒的雙向數(shù)據(jù)傳輸速度達4 Tbps，并兼容第五代PCIe。在2024年光纖通信大會現(xiàn)場，實時光學(xué)鏈路演示還展示了通過單模光纖（SMF）跳線（patch cord）在兩個CPU平臺之間實現(xiàn)的發(fā)射器（Tx）和接收器（Rx）互連。CPU生成并測量了比特誤碼率（BER）。英特爾還展示了發(fā)射器的光譜（optical spectrum），包括單一光纖上200GHz間隔的八個波長，以及32Gbps發(fā)射器眼圖（eye diagram），表明了較強的信號質(zhì)量。

滿足AI需求，I/O“馬車”升級“摩托騎士”

在數(shù)據(jù)中心和早期AI集群中，普遍使用可插拔光收發(fā)器模塊來延長傳輸距離，但就AI工作負載的擴展需求而言，其成本和功耗不可持續(xù)。

因為要擴展AI或機器學(xué)習(xí)基礎(chǔ)設(shè)施，就需要大幅提高I/O帶寬密度和互連距離?？刹灏问瞻l(fā)器模塊雖然可增加傳輸距離，但體積較大，通常需要高速串行器與解串器（SerDes）或數(shù)字信號處理技術(shù)（DSP）。因此功耗較高，帶寬密度較低，延遲較高。

目前，可插拔光收發(fā)器模塊的功耗大約為每比特15皮焦耳，而這種光電共封裝解決方案的功耗僅為每比特5皮焦耳（pJ）。英特爾的OCI芯粒單向支持64個32Gbps 通道，傳輸距離達100米（由于傳輸延遲，實際應(yīng)用中距離可能僅限幾十米）。它采用8對光纖，每根8波長密集波分復(fù)用（DWDM）。下一步，OCI芯粒（或任何光學(xué)I/O解決方案）將實現(xiàn)與CPU、GPU或SoC共封，可以優(yōu)化和改善I/O帶寬密度、總能效比、延遲和成本。

對于OCI芯粒的實現(xiàn)方式，宋院長也有一個貼切的比喻，“傳統(tǒng)電氣I/O正在逼近物理極限，好比馬車，傳輸速度和距離都很有限；光學(xué)I/O則像是摩托車甚至汽車，速度快且距離長。”

OCI芯粒是單一晶圓上硅光混合集成的創(chuàng)新之舉

與普通芯粒相比，OCI芯粒的制造需要哪些特殊的半導(dǎo)體技術(shù)？現(xiàn)有的制造傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片的工廠能否快速轉(zhuǎn)產(chǎn)OCI芯粒？

宋院長解釋說，OCI芯粒是一個完整的物理層光I/O器件，包括一個帶有片上密集波分復(fù)用（DWDM）激光器和半導(dǎo)體光放大器（SOA）的硅光子集成電路（PIC），以及一個用于控制硅光子集成電路和連接主機的電子集成電路（EIC）。硅光子集成電路采用基于300毫米硅晶圓上運行的英特爾硅光子制造工藝，電子集成電路則采用標準CMOS工藝節(jié)點。

目前，英特爾已出貨超過800萬個硅光子集成電路，包含多達3200萬個片上集成激光器，時基故障率（FIT）小于0.1（時基故障率是一種廣泛使用的測量可靠性的方法，體現(xiàn)了故障率和發(fā)生故障的次數(shù)）。在可插拔光收發(fā)器模塊中已經(jīng)應(yīng)用了這項技術(shù)，數(shù)百萬個可插拔光收發(fā)器模塊已于實際應(yīng)用中部署，滿足大型數(shù)據(jù)中心100/200/400 Gbps網(wǎng)絡(luò)傳輸速率需求。

完全集成的OCI（光學(xué)計算互連）芯粒，標志著英特爾將半導(dǎo)體激光器與硅基光放大器混合集成于單一晶圓的創(chuàng)新，不僅縮減了體積、降低了功耗，還預(yù)示著規(guī)?；a(chǎn)后，將進一步帶來良率提升與成本降低的優(yōu)勢。

宋院長透露，英特爾還正在探索新的硅光子制造工藝節(jié)點，該節(jié)點具有先進的器件性能、更高的密度、更好的耦合性，并能大幅提高經(jīng)濟性。英特爾將繼續(xù)在片上激光器和性能、成本（芯片面積減少 40% 以上）和功耗（減少 15% 以上）等方面取得進步。并且，英特爾也在與客戶合作，開發(fā)共封OCI和客戶SoC作為光學(xué)I/O的解決方案。

談及OCI芯粒與英特爾CPU集成在技術(shù)層面的挑戰(zhàn)，宋院長表示，將光學(xué)I/O芯粒集成到 CPU 或 GPU 封裝中，可能會增加熱量管理、封裝設(shè)計和供電方面的需求。不過，英特爾在硅光子領(lǐng)域已深耕超過25年，是硅光集成的開拓者和領(lǐng)導(dǎo)者。依托這些技術(shù)經(jīng)驗，已經(jīng)能夠滿足這些設(shè)計需求。

他補充，為了使光學(xué)I/O芯粒更加靈活，并減少集成過程中的工作量，通常會考慮在主機xPU與I/O之間使用電氣接口，這些接口已通過健全的IP生態(tài)系統(tǒng)實現(xiàn)標準化，例如 UCIe、PCIe、以太網(wǎng)等。

OCI芯粒將聚焦三大指標持續(xù)迭代升級

今年以來，數(shù)據(jù)中心普遍進入“萬卡”甚至“五萬卡”級別。在算力集群的構(gòu)建過程中，OCI芯?？芍С志嚯x長達100米的傳輸，它可以通過提高岸線密度和擴展集群中CPU或GPU之間的連接范圍來實現(xiàn)更高的帶寬，還可以通過支持資源解聚的新架構(gòu)（如HBM或CXL內(nèi)存池化）來實現(xiàn)更高效的資源利用。面向傳輸速率需求達800 Gbps和1.6 Tbps的新興應(yīng)用，速度達200G/通道的硅光子集成電路正在開發(fā)中。

“我們相信，隨著時間的推移和產(chǎn)量的提升（如新興AI擴展所預(yù)期的那樣），在系統(tǒng)層級，光學(xué)I/O的每比特總互連成本將可與電氣I/O相比。此外，光學(xué)I/O性能更強，將有助于在系統(tǒng)層級提高性能”，宋院長表示，“英特爾目前正在開發(fā)第二代硅光子制造工藝節(jié)點，預(yù)計能將芯片面積減少40%以上，從而提高經(jīng)濟效益，并在功率耗散、光耦合效率、激光功率等方面實現(xiàn)多重性能提升?！?/p>

根據(jù)當前的路線圖，英特爾將主要進行三方面指標的迭代，包括：提高線速率、每條光纖的波長數(shù)、光纖數(shù)量和偏振模式，從而擴展未來幾代OCI芯粒的性能，打造出帶寬達32Tb/s的器件。