الزامات خوشههای هوش مصنوعی، اتصالات نوری را برای اتصال مقیاسپذیر عملیاتی کرده است، اما با افزایش نیازمندیهای پهنای باند، اتصال نوری برای اتصالات مقیاسپذیر درونی نیز در حال تبدیل شدن به گزینهای کاربردی است. در نتیجه، صنعت در حال انتقال رابطهای نوری به نزدیکی پردازندههای مرکزی (CPUs) و پردازندههای گرافیکی (GPUs) است؛ از فرستنده-گیرنده پنل جلو گرفته تا خود پکیج از طریق اپتیک همبستهبندی (CPO) و در نهایت مستقیماً درون پکیج پردازنده.
اتصال نوری دهههاست که مورد استفاده قرار میگیرد، زیرا لینکهای الکتریکی نمیتوانند دادهها را به طور کارآمد و قابل اعتماد در مسافتهای طولانی با نرخ انتقال داده بالا منتقل کنند. با این حال، هزینهها و پیچیدگی قطصالات نوری، استفاده از آنها را به اتصالات برد بلند محدود کرده بود.
اهمیت CPO در حال افزایش است زیرا اتصالات الکتریکی دیگر با همان سرعت پردازندههای هوش مصنوعی مقیاسپذیر نیستند و تغذیه هزاران شتابدهنده در یک مرکز داده مستقیماً نیازمند افزایش تصاعدی پهنای باند ارتباطی است. در یک معماری شبکهسازی نوری سنتی، پردازنده یا تراشه اختصاصی سویچ (ASIC) به صورت الکتریکی با یک فرستنده-گیرنده نوری قابل اتصال واقع در پنل جلویی سرور یا سویچ ارتباط برقرار میکند. با این حال، با افزایش سرعت سیگنالدهی به ۲۰۰ گیگابیت بر ثانیه تا ۴۰۰ گیگابیت بر ثانیه به ازای هر لاین و فراتر از آن، انتقال سیگنالهای الکتریکی روی مسیریابیهای طولانی مس مسی روی مادربرد به دلیل تلفات درج بالاتر، مصرف برق بیشتر و الزامات سختگیرانهتر یکپارچگی سیگنال، به طور فزایندهای ناکارآمد میشود.
اگرچه از نظر فنی ممکن است، اما نیازمند استفاده از مواد بهتر، ریتیمرها، پردازش جبرانسازی پیچیده و مدارهای اکولایزاسیون است که هزینه زیرساخت سرور و مصرف برق آن را افزایش میدهد. فناوری CPO موتورهای نوری را در کنار پردازنده یا تراشه سویچ قرار میدهد تا مسیر الکتریکی پیش از تبدیل شدن سیگنالها به نور را کوتاهتر کند؛ این یعنی مصرف برق کمتر به ازای هر بیت ارسالی، افزایش چگالی پهنای باند و مقیاسپذیری قابل پیشبینی. در نتیجه، CPO به طور فزایندهای به عنوان یک فناوری ضروری برای زیرساخت هوش مصنوعی نسل بعدی در نظر گرفته میشود.
از آنجا که هوش مصنوعی به عنوان یک کلانروند بزرگ دیده میشود، CPO قرار است فراگیر شود؛ دهها شرکت در اکوسیستم CPO فعالیت میکنند، از جمله ریختهگریها، شرکتهای بستهبندی پیشرفته (OSATs)، استارتاپهای ورودی/خروجی نوری، تولیدکنندگان لیزر، تامینکنندگان فیبر، خانههای بستهبندی و فروشندگان شبکهسازی.
از آنجا که فروشندگان بسیار زیادی با استراتژیهای مختلف اهداف متفاوتی را دنبال میکنند، در این مقاله خود را به شرکتهایی محدود میکنیم که در واقع محصولات سختافزاری تولید میکنند و نقشههای راه آنها منعکسکننده قابلیتهای فناوریشان است. تا کنون، تنها چهار ریختهگری استراتژیهای تولید معنادار CPO را به طور عمومی بیان کردهاند: اینتل فاندری (Intel Foundry)، گلوبالفاندریز (GlobalFoundries)، سامسونگ فاندری (Samsung Foundry) و تیاسامسی (TSMC).
هر یک از این چهار شرکت نماینده چهار استراتژی مختلف CPO هستند و برنامههای بسیار متمایزی برای آینده دارند، بنابراین ممکن است برنامهها و قابلیتهای آنها مستقیماً قابل مقایسه نباشد. با این وجود، بررسی پیشنهادات آنها به ما ایدهای درباره جهتگیری صنعت از دیدگاه ریختهگریهای واقعی میدهد.
تیاسامسی از لحاظ تاریخی به عنوان یک تامینکننده محصول در بازار اتصال نوری غایب بوده است. با این حال، با کار کردن روی فوتونیک سیلیکونی برای سالهای متمادی، اکنون دارای گستردهترین اکوسیستم و نقشه راه ساخت با موتور فوتونیک جهانی فشرده (COUPE) خود است.
نقشه راه فناوری فوتونیک سیلیکونی تیاسامسی در حال حاضر دارای سه مرحله است که از یک موتور نوری ۱.۶ ترابیت بر ثانیهای با اپتیک قابل اتصال متعارف تا یک موتور نوری ۱۲.۸ ترابیت بر ثانیهای واقع در درون یک پکیج پردازنده را شامل میشود. نقشه راه COUPE به شدت با فناوریهای بستهبندی پیشرفته این شرکت و تکامل مدولاتورهای حلقوی میکرو (MRMs) که نور را مدوله کرده و مستقیماً روی عملکرد تأثیر میگذارند، پیوند خورده است. در نتیجه، چندین مشتری تیاسامسی (مانند انویدیا) استراتژیهای فوتونیک سیلیکونی خود را پیرامون تکامل COUPE برنامهریزی میکنند.
فاز اول نقشه راه که «COUPE روی برد مدار چاپی» نامیده میشود، بر پایه COUPE استوار است که یک مدار مجتمع الکترونیکی (EIC) ۶۵ نانومتری را با یک مدار مجتمع فوتونیک (PIC) با استفاده از فناوری پیوند SoIC-X این شرکت متصل میکند. پیادهسازی اولیه ماژولهای نوری OSFP را هدف قرار داده و پهنای باند ۱.۶ ترابیت بر ثانیه (دو برابر توان عملیاتی راهحلهای اترنت مسی، به همراه دو برابر بهرهوری انرژی در مقایسه با مس) ارائه میدهد. بنابراین، نسل اول COUPE خارج از محدوده این مقاله است. تیاسامسی میگوید رابط SoIC-X دارای امپدانس بسیار پایینی است و مصرف برق کمتری را در سرعتهای بالای سیگنالدهی امکانپذیر میسازد.
نسل دوم که «COUPE روی زیرسازه» نامیده میشود، نشاندهنده گذار تیاسامسی از اپتیک قابل اتصال متعارف به اپتیک همبستهبندی (CPO) است. در این مرحله، COUPE با فناوری بستهبندی پیشرفته تراشه روی ویفر روی زیرسازه (CoWoS) شرکت ادغام شده و با یک تراشه اختصاصی سویچ شبکه همبستهبندی میشود. این معماری اتصال نوری در سطح مادربرد را با پهنای باند تجمیعشده تا ۶.۴ ترابیت بر ثانیه، بهرهوری انرژی ۲ برابری و تاخیر ۱۰ برابر کمتر در مقایسه با راهحلهای قابل اتصال موجود امکانپذیر میسازد که برای انواع کاربردها فوقالعاده است.
فاز سوم که «COUPE روی اینترپوزر» نامیده میشود، فوتونیک سیلیکونی را حتی بیشتر به دایهای پردازشی نزدیک میکند: یک موتور نوری ۱۲.۸ ترابیت بر ثانیهای مستقیماً در پکیج پردازنده ادغام میشود تا بالاترین پهنای باند و مقیاسپذیری را فراهم کند. فراتر از دو برابر کردن مجدد پهنای باند، این شرکت انتظار دارد این معماری ۵ برابر بهرهوری انرژی و ۲۰ برابر تاخیر کمتر در مقایسه با راهحلهای قابل اتصال مورد استفاده امروز ارائه دهد.
برنامه اصلی COUPE این است که موتور نوری را تا حد امکان به بخش پردازش نزدیک کند. با این حال، بعد دیگری در استراتژی فوتونیک سیلیکونی تیاسامسی وجود دارد: تکامل خود دستگاههای فوتونیکی، یعنی MRMهای ادغامشده در PICها. این شرکت قصد دارد اولین مدولاتور میکرو-حلقه ۲۰۰ گیگابیت بر ثانیهای در هر لاین جهان را در سال ۲۰۲۶ به مرحله تولید برساند و سپس به مقیاسگذاری فناوری با MRMهای ۴۰۰ گیگابیت بر ثانیهای ادامه دهد.
اینتل دهههاست که محصولات مختلفی را با اتصالات نوری عرضه کرده و حتی راهحلهای فوتونیک سیلیکونی خود را در اواسط دهه ۲۰۱۰ به پردازندههای زئون (Xeon) و زئون پای (Xeon Phi) متصل کرد. امروزه، نقشه راه عمومی CPO اینتل کمتر از تیاسامسی صریح است، اما جهتگیری آن کاملاً واضح است: انتقال ورودی/خروجی نوری مستقیماً در کنار پردازندههای مرکزی، پردازندههای گرافیکی، پردازندههای دیتاسنتر (DPUs) و شتابدهندهها.
استراتژی CPO اینتل تا حد زیادی روی تراشه ارتباطی محاسبات نوری (OCI) متمرکز است که یک زیرسیستم ورودی/خروجی نوری خودکفا است که هم EIC و هم PIC را در بر میگیرد و میتواند با هر دستگاه پردازشی با استفاده از رابط PCIe همبستهبندی شود تا اتصال نوری با عملکرد بالا را فعال کند. اینتل اولین OCI را در سال ۲۰۲۴ به نمایش گذاشت.
پیادهسازی OCI در سال ۲۰۲۴ برای آزمایش فناوری مناسب است، اما با لاینهای نسبتاً کند ۳۲ گیگابیت بر ثانیهای، به صورت تجاری پذیرفته نشده است. در همین حال، این فناوری قبلاً اثبات و به نمایش گذاشته شده است. اینتل در حال حاضر روی نسل بعدی OCI خود با PICهای ۲۰۰G بر روی هر لاین کار میکند تا از برنامههای کاربردی ۸۰۰ گیگابیت بر ثانیه و ۱.۶ ترابیت بر ثانیه پشتیبانی کند.
استراتژی فوتونیک سیلیکونی سامسونگ فاندری احتمالاً جامعترین مورد در میان ریختهگریهای پیشرو است. سامسونگ قصد دارد انواع دستگاههای اتصال نوری را ارائه دهد، از فرستندههای قابل اتصال در سال ۲۰۲۶ گرفته تا CPO سویچ در آینده و تا موتورهای نوری روی اینترپوزر یک پکیج پردازنده در سال ۲۰۳۰. متأسفانه، سامسونگ اطلاعات زیادی به صورت عمومی درباره برنامههای خود ارائه نمیدهد.
امسال، سامسونگ فاندری قصد دارد یک پلتفرم PIC تجاری ارائه دهد که متکی بر یک EIC و یک PIC است که در کنار یکدیگر روی یک برد مدار چاپی برای اپتیک قابل اتصال سنتی نصب شدهاند. در سال ۲۰۲۷، سامسونگ فاندری قصد دارد به نسل اول COUPE تیاسامسی برسد و یک موتور نوری ارائه دهد که یک EIC را در بالای یک PIC با استفاده از اتصال ترمو-کامپرشن (TCB) روی هم قرار دهد.
تا سال ۲۰۲۸، سامسونگ قصد دارد موتورهای نوری را به زیرسازه تراشههای اختصاصی سویچ اترنت یا اینفینیبند منتقل کند که این اولین CPO واقعی آن خواهد بود. در سال ۲۰۲۹، سامسونگ فاندری سرانجام موتور نوری خود را روی یک اینترپوزر در کنار پردازنده مرکزی/گرافیکی یا سایر دستگاههای پردازشی ادغام خواهد کرد که مصرف انرژی را به ۲ پیکوژول بر بیت کاهش میدهد. مرحله بعدی در نقشه راه سامسونگ «CPO Turnkey نسل بعدی» نامیده میشود.
برخلاف اینتل فاندری، سامسونگ فاندری و تیاسامسی، گلوبالفاندریز پردازندههای هوش مصنوعی، تراشههای اختصاصی سویچ یا پکیجهای پیشرفته را تولید نمیکند یا قصد تولید آنها را ندارد. در عوض، هدف آن تبدیل شدن به یک ارائهدهنده اپتیک همبستهبندی تجاری است که راهحلهای سفارشی CPO را تولید و به فروش برساند.
عنصر کلیدی استراتژی CPO گلوبالفاندریز، پلتفرم موتور نوری پیشرفته همبستهبندی فوتونیک سیلیکونی (SCALE) است که ترکیبی از IP فوتونیک، فناوریهای بستهبندی پیشرفته و معماری موتور نوری مرجع است. بر خلاف تراشه ارتباطی OCI اینتل، SCALE به مشتریان گلوبالفاندریز اجازه میدهد موتورهای نوری را مطابق با نیازهای خود سفارشیسازی کنند.
اپتیک همبستهبندی (CPO) قرار است به یک فناوری کلیدی برای زیرساخت هوش مصنوعی نسل بعدی تبدیل شود زیرا اتصالات الکتریکی سنتی برای همگام شدن با تقاضای پهنای باند پردازندههای هوش مصنوعی به سرعت در حال توسعه، با مشکل مواجه هستند.
در میان ریختهگریها، تیاسامسی، اینتل، سامسونگ فاندری و گلوبالفاندریز هر کدام استراتژیهای متمایزی از CPO را توسعه دادهاند که از موتورهای نوری تجاری تا تراشههای ورودی/خروجی نوری و پلتفرمهای CPO یکپارچه عمودی را شامل میشود.
با وجود قابلیتهای مختلف سازندگان قراردادهای تراشه، نقشههای راه آنها به طور قابل توجهی در حوزه و پیادهسازی متفاوت است؛ برخی شرکتها تلاش میکنند مشتریان را با یک پلتفرم اختصاصی قفل کنند و برخی دیگر درجات آزادی متفاوتی را ارائه میدهند.
با این حال، همه آنها یک هدف مشترک دارند: انتقال رابطهای نوری به طور پیشرونده نزدیکتر به دایهای پردازشی به منظور کاهش مصرف برق، افزایش چگالی پهنای باند و کاهش تاخیر برای نسل بعدی سیستمهای هوش مصنوعی که به پهنای باند به مراتب بیشتری نسبت به خوشههای امروزی نیاز خواهند داشت.