片上與片間光互連技術(shù)與產(chǎn)業(yè)分析

  隨著各行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型進度加快，5G、人工智能等新技術(shù)迅速普及應(yīng)用，算力需求快速增長。一年來，ChatGPT為代表的大模型開發(fā)和應(yīng)用取得巨大進展，帶動算力需求進一步提升。在數(shù)據(jù)中心與高性能計算中心高速發(fā)展的同時，互連技術(shù)也需要隨之升級演進，以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇髱?、低時延、低能耗等要求。相比于電信號，光信號具有傳輸帶寬大、傳輸損耗小、抗干擾能力強、可高速無串擾并行傳輸?shù)戎T多優(yōu)勢，因此光互連成為通信發(fā)展的重要技術(shù)方向，如何發(fā)展片上與片間光互連以突破傳統(tǒng)電互連瓶頸，成為當前的研究熱點之一。

  片上光互連

  大規(guī)模集成易引發(fā)信號傳輸瓶頸問題，其解決思路之一是使用片上光互連代替電互連，數(shù)據(jù)傳輸由芯片上的光波導(dǎo)鏈路實現(xiàn)。相較于電，光傳輸損耗小、帶寬大，片上光互連可以支撐實現(xiàn)大量長距離通道，若擴展到整個晶圓，則可實現(xiàn)晶圓級光互連網(wǎng)絡(luò)。

  片上光互連的核心是光電子集成芯片

  光電子集成芯片由集成在同一塊襯底上多種不同功能的有源器件和無源器件構(gòu)成，通過光波導(dǎo)進行互連通信，進而實現(xiàn)具有特定功能的片上光學(xué)互連處理。激光器、調(diào)制器和探測器是光互連系統(tǒng)的核心集成器件，可分別采用波分復(fù)用、偏振復(fù)用及模分復(fù)用技術(shù)提高片上光互連的傳輸容量。目前，針對單一物理維度光信號的復(fù)用、解復(fù)用器件已經(jīng)較為成熟。而多種復(fù)用方式的綜合運用，如波長-偏振-模式混合復(fù)用等，可進一步提高片上光互連系統(tǒng)的通道數(shù)量和傳輸容量，這也是片上光互連的重要發(fā)展趨勢。此外，選擇和設(shè)計合適的片上拓撲結(jié)構(gòu)對性能提升也具有重要意義。片上光互連架構(gòu)不僅決定著片上網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點的互連方式，同時也影響路由器的端口和網(wǎng)絡(luò)鏈路數(shù)量，進而影響網(wǎng)絡(luò)的時延、功耗和可靠性等性能。

  片上光互連尚處于研究階段

  美國加州伯克利大學(xué)于2015年制造出一種片上微處理器，使用光實現(xiàn)處理單元與存儲單元之間的雙向互連通信，每個方向可提供2.5Gbit/s帶寬，這一成果具有重要意義。Intel也進行了針對性研究，并在2020年研究院活動上展示了其在微環(huán)調(diào)制器、全硅探測器、集成半導(dǎo)體光放大器、集成多波長激光器等光互連核心器件方面的重要進展。曦智科技于2022年在“第二屆高性能芯粒與互連架構(gòu)國際研討會”上，介紹其實現(xiàn)了硅光芯片和CMOS電芯片的垂直封裝，由光波導(dǎo)替代銅導(dǎo)線，形成片上光網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)的通道數(shù)為512，單通道頻率4GHz，片上總帶寬2Tbit/s。實測數(shù)據(jù)顯示，該計算系統(tǒng)能在1ns內(nèi)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。

  片間光互連通

  常情況下，光電合封（C P O，C o-p a c k a g e d Op tics）面向大型以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)交換機，交換芯片與光芯片封裝在一起，與外部其他芯片之間形成光互連；而光I/O（Optical I/O）面向分布式計算系統(tǒng)，計算芯片與光芯片封裝在一起，與外部其他芯片之間形成光互連。本文將這兩種形態(tài)統(tǒng)稱為片間光互連。

  CPO：解決數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中交換芯片與光芯片之間的互連問題

  CPO通過將光引擎放置在靠近主機ASIC的位置，最大程度地減少高速電通道損耗和阻抗不連續(xù)性，從而實現(xiàn)更高速度、更低功耗的I/O驅(qū)動。CPO相較于可插拔光模塊，帶寬密度提升一個數(shù)量級，能量效率優(yōu)化40%以上。

  目前報導(dǎo)的CPO光引擎技術(shù)方案主要為VCSEL陣列方案和硅光集成方案。然而，伴隨著VCSEL調(diào)制速率的提升，芯片可靠性下降，在56GBaud速率尚沒有穩(wěn)定可靠的大規(guī)模集成VCSEL陣列，因此基于VCSEL陣列方案的多路并行光互連研究大幅減少。硅光集成技術(shù)在近年來成為CPO光引擎的主要方案。硅光不需要氣密封裝，CMOS兼容更易與電芯片集成，且硅光調(diào)制器和探測器均可支持56GBaud以上速率。

  當前CPO技術(shù)主要由交換機與光模塊公司在推進，C P O樣機在近三年相繼發(fā)布。在“O F C 2 0 2 0”會議上，In tel推出首款CPO樣機，由1.6Tbi t/s的硅光引擎與12.8Tbi t/s的可編程以太網(wǎng)交換機集成。在“OFC 2021會議”上，Ranovus發(fā)布了Odin品牌模擬驅(qū)動CPO 2.0架構(gòu)。在“OFC 2022會議”上，Mar vell展示了其首款CPO樣機，帶寬為1.6Tbit/s；Ranovus基于AMD的Xilinx計算加速平臺進行CPO 2.0的聯(lián)合展示。在“OFC 2023”上，Broadcom和Marvell分別發(fā)布了51.2Tbit/s的交換芯片。總體來看，終端用戶、設(shè)備制造商以及光器件供應(yīng)商均涉足其中，形成了初步的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

  據(jù)Yole預(yù)測，CPO市場將從2022年的600萬美元增長到2033年的2.87億美元。CPO數(shù)據(jù)中心市場于2022年正式起步，出貨將以800Gbit/s和1.6Tbit/s端口為主，到2027年CPO端口將占近30%。CPO需要高度集成的光學(xué)以及硅芯片技術(shù)，難度較大，從可插拔到CPO的轉(zhuǎn)換對企業(yè)研發(fā)實力提出較高要求，當前CPO產(chǎn)業(yè)鏈包含設(shè)計、光引擎供應(yīng)商、激光器供應(yīng)商、交換機廠商、硅光代工廠、設(shè)備商等。

  2020年，業(yè)界開始對發(fā)展CPO標準形成共識。標準進展與技術(shù)和產(chǎn)業(yè)進展密切相關(guān)，美國、中國及歐盟率先開展標準化工作。光互連論壇（OIF）、板載光學(xué)聯(lián)盟（COBO）、聯(lián)合開發(fā)基金會（JDF）、國際光電委員會（IPEC）、中國計算機互連技術(shù)聯(lián)盟（CCITA）等標準組織均針對CPO作出了一系列部署。

  光I/O：解決計算芯片CPU、GPU、XPU等之間的互連問題

  光I/O利用光具有的低功耗、高帶寬、低延遲等優(yōu)勢，取代傳統(tǒng)的電I/O方案，芯片輸入輸出的為光信號，進而構(gòu)建分布式計算網(wǎng)絡(luò)。在相同能效情況下，光I/O的邊帶寬密度與UCle、NVlink、PCIe等電互連相當，但傳輸距離遠超電互連。

  光I/O需要物理層和互連協(xié)議多重創(chuàng)新。在物理層方面，對于CPU而言，通用的對外通信通過PCIe協(xié)議實現(xiàn)。目前，數(shù)據(jù)中心內(nèi)的光互連解決方案絕大部分針對以太網(wǎng)設(shè)計，基于PCIe的光互連解決方案幾乎處于空白狀態(tài)。相比于以太網(wǎng)，PCIe信號的通道數(shù)較多，單通道帶寬較小，調(diào)制方法不同，對延遲的容忍度相對較小。因此，基于以太網(wǎng)的光互連方案無法直接套用到PCIe應(yīng)用場景，需要重新定義和設(shè)計。PCI-SIG于2023年8月宣布成立PCIe光學(xué)工作組，其職責是致力于通過光學(xué)接口實現(xiàn)PCIe。

  在協(xié)議層方面，當前主流的分布式計算主要使用基于以太網(wǎng)的軟硬件生態(tài)系統(tǒng)，而這一系統(tǒng)存在諸多的提升空間。目前基于以太網(wǎng)的方案需要使用內(nèi)存屏障甚至軟件設(shè)定臨界區(qū)，導(dǎo)致性能開銷大、延遲長，在復(fù)雜的控制流程之下甚至?xí)霈F(xiàn)“死鎖”。相比以太網(wǎng)協(xié)議，CXL（Compute Express Link）協(xié)議提供了高效的數(shù)據(jù)同步，可大大降低軟件管理的復(fù)雜度，降低CPU處理網(wǎng)絡(luò)功能開銷。

  目前各大芯片巨頭均已在光I/O領(lǐng)域進行布局，其中包括Intel、AMD、NVIDIA等。Intel已經(jīng)與Ayar Labs合作多年，多次在OFC上展示其FPGA芯片間通過光I/O實現(xiàn)信號互連的階段性進展。AMD通過收購Xilinx，整合了其硅光團隊，在“ISSCC 2023”展示了其初步的進展。NVIDIA與Ayar Labs展開合作，其內(nèi)部也有自己的硅光團隊開發(fā)相關(guān)技術(shù)。Ayar Labs在光I/O方面具有較強實力，與多位伙伴積極合作，其在“OFC 2023”上展示的TeraPHY可以實現(xiàn)雙向4.096Tbit/s數(shù)據(jù)傳輸。據(jù)Yole預(yù)測，光I/O市場將從2022年的500萬美元增長到2033年的23億美元。

  由于面向不同應(yīng)用場景，兩種片間光互連的性能存在較大差異。從帶寬和能效角度來看，根據(jù)Intel數(shù)據(jù)，單個CPO模塊的帶寬為1.6~3.2Tbi t/s，帶寬密度為50~200Gbi t/(s·mm)，能效為15pJ/bit；而光I/O的總帶寬為40Tbit/s，帶寬密度為5Tbit/(s·mm)，能效為3pJ/bit。Ayar Labs數(shù)據(jù)顯示，同樣能效情況下，光I/O的邊帶寬密度比CPO的大一個數(shù)量級。從延遲角度來看，根據(jù)Ayar Labs數(shù)據(jù)，光I/O的延遲在5ns左右，對應(yīng)的誤碼率為1e-15，而CPO為了達到相同的誤碼率，需要使用FEC技術(shù)，其延遲在100~150ns。整體上看，光I/O比CPO的性能要求更高。

  總結(jié)展望

  片上光互連的核心是光電子集成芯片，當前處于研究階段。CPO的研究聚焦51.2Tbit/s交換機，產(chǎn)業(yè)化與標準化進程已經(jīng)啟動。光I/O特別適用于計算結(jié)構(gòu)，當前已有產(chǎn)品小批量出貨，未來仍需物理層和互連協(xié)議進一步創(chuàng)新。無論片上還是片間光互連仍有許多亟待解決的關(guān)鍵問題，如生態(tài)尚不成熟、功能選擇較少、編程模型缺乏業(yè)界共識、可靠性存挑戰(zhàn)，以及面臨相干、線性驅(qū)動可插拔等其他技術(shù)擠壓等，需要業(yè)界的積極探索與合作，共建完善的技術(shù)、產(chǎn)業(yè)與標準生態(tài)。

  作者：中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所 劉璐 吳冰冰