在HPC工作負載應用中如何實現(xiàn)硅光子學

在當今的數字數據密集型環(huán)境中，隨著組織面臨大量工作負載和復雜的數據處理挑戰(zhàn)，對高性能計算 (HPC) 的需求持續(xù)激增。高效、高帶寬、低延遲計算的新方法對于處理這些需求至關重要，因為傳統(tǒng)技術在數據量、速度、能源效率和占用空間方面達到了極限。

數據中心是大規(guī)模數據處理和存儲的中心樞紐。HPC 在這些環(huán)境中發(fā)揮著關鍵作用，需要高效和高帶寬的通信來管理大量涌入的數據。利用光而不是電力進行計算的光子技術正在成為解決擴展問題并改善數據中心 HPC 工作負載通信的突破性解決方案。

為什么選擇光子學?

光子學是一項尖端技術，它將光的力量與硅的效率相結合，以實現(xiàn)低延遲、高速計算、數據互連以及傳輸和通信。它利用了硅基制造工藝的固有優(yōu)勢，在單個封裝上將光子組件與電子電路無縫集成，并超越銅互連，同時提供卓越的性能。

硅光子系統(tǒng)的關鍵部件包括光源、調制器、探測器和光波導。激光光源產生通過波導引導的光子，調制器控制引導光的特性，允許將數據編碼到光信號上。光電探測器將光信號轉換回由電子電路處理的電信號。

這些波導是使用成熟的半導體制造技術在硅襯底上制造的。通過調制波導的特性，例如其尺寸或折射率，可以操縱光來執(zhí)行數據計算和傳輸。

在 HPC 工作負載應用中實現(xiàn)硅光子學

HPC 工作負載可解決復雜的數學任務，其特點是巨大的計算要求和處理元素之間無縫數據交換的需求。傳統(tǒng)的銅基互連正受到帶寬限制、延遲增加、電源效率低下和可擴展性有限的阻礙，難以跟上步伐。這些問題出現(xiàn)在計算內核和內存之間的芯片接口、用于計算任務的芯片到芯片接口以及用于高速、低延遲網絡的機架到機架接口上，為基于光的解決方案作為可行的選擇鋪平了道路。

速度對于 HPC 工作負載至關重要。硅光子學可實現(xiàn)前所未有的數據傳輸速度，非常適合數據中心，為處理需要更快數據傳輸速度、更高能效和更低延遲的 HPC 工作負載帶來好處。通過利用基于光的傳輸，硅光子學超越了傳統(tǒng)銅基互連的局限性，顯著降低了延遲并實現(xiàn)了實時數據處理。

HPC 工作負載也因其高功耗而臭名昭著，導致運營成本增加和環(huán)境影響。在這方面，基于光的計算再次帶來了一個優(yōu)勢：由于光子傳輸數據所需的功率比電子少，因此光子解決方案通過最大限度地減少碳足跡來降低成本并提高可持續(xù)性。

HPC 工作負載嚴重依賴準確可靠的數據傳輸。硅光子學通過最大限度地減少信號衰減和電磁干擾來增強信號完整性。使用基于光的傳輸可確保整個通信過程中的數據完整性，從而為 HPC 計算提供精確可靠的結果。

光子學加速 HPC 工作負載的潛在用例包括機架到機架互連、內存和存儲加速以及芯片內通信：

機架到機架互連：HPC 系統(tǒng)通常由數據中心內互連的多個計算節(jié)點組成。硅光子學可用于在這些節(jié)點之間創(chuàng)建高速和節(jié)能的互連。與電氣互連相比，光鏈路可以在更長的距離上高速傳輸大量數據，延遲最小，功耗更低。這樣可以在計算節(jié)點之間實現(xiàn)更快的通信和數據傳輸，從而促進 HPC 集群中的高效并行計算。

內存和存儲加速：HPC 工作負載通常涉及密集的數據訪問和存儲操作。硅光子學可用于增強HPC系統(tǒng)中的內存和存儲性能。通過利用標準互連協(xié)議(如光纖上的計算高速鏈路 (CXL)，可以顯著加快處理器和內存/存儲子系統(tǒng)之間的通信，從而減少延遲并提高整體系統(tǒng)吞吐量。這對于大規(guī)模模擬、大數據分析和機器學習應用特別有利，在這些應用中，快速數據訪問和處理至關重要。

芯片內通信：在單個芯片內，基于光子學的片上光網絡可用于增強組件之間的通信，例如處理器、內存緩存、加速器和小芯片。通過將光子學集成到芯片設計中，可以使用波導創(chuàng)建高速和低延遲通信路徑，從而減少數據傳輸瓶頸并實現(xiàn)不同功能單元之間的高效數據移動。這可以提高整體芯片性能，特別是對于需要高級別并行性和數據共享的復雜 HPC 工作負載。

總體而言，數據中心的光子學通過提供高帶寬、低延遲和高能效的互連解決方案，在 HPC 工作負載方面具有巨大潛力。它支持更快的數據傳輸、改進計算節(jié)點和集群之間的通信、加速內存和存儲訪問以及增強的片內連接。這些進步有助于更高效、更可擴展的 HPC 系統(tǒng)，使用戶能夠以更高的速度和準確性處理復雜的計算問題。

創(chuàng)建光子學生態(tài)系統(tǒng)以促進采用

為了實現(xiàn)硅光子學的全部潛力，培養(yǎng)協(xié)作生態(tài)系統(tǒng)非常重要。工業(yè)、學術界和研究機構之間的合作對于推動創(chuàng)新、加速光子學解決方案的開發(fā)以及在制造技術、組件集成和系統(tǒng)優(yōu)化方面實現(xiàn)突破至關重要。

行業(yè)主導的標準化工作也促進了協(xié)作，同樣至關重要，因為它們確保了不同光子組件和系統(tǒng)之間的互操作性和兼容性。建立行業(yè)標準可實現(xiàn)無縫集成，促進市場繁榮和廣泛采用。

采用這種創(chuàng)新技術需要一種協(xié)作方法來調整實施以解決特定的 HPC 工作負載。新興的光子計算初創(chuàng)公司生態(tài)系統(tǒng)為采用這項技術并參與影響其路線圖創(chuàng)造了機會。為了充分利用光子學在數據中心應用中的潛力，HPC運營商必須有效地引導采用之路以獲得好處。

政策制定者需要合作創(chuàng)造一個有利的環(huán)境，培育創(chuàng)新，保護知識產權，解決潛在的監(jiān)管障礙。支持性法規(guī)可以激勵數據中心采用光子技術，并加速其對 HPC 工作負載的采用。合作努力、研發(fā)投資、標準化和監(jiān)管支持將為硅光子學技術的廣泛采用鋪平道路。通過利用硅光子學的優(yōu)勢，數據中心可以加速 HPC 工作負載，推動各個領域的創(chuàng)新并推動增長。