在HPC工作負(fù)載應(yīng)用中如何實(shí)現(xiàn)硅光子學(xué)

在當(dāng)今的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)密集型環(huán)境中，隨著組織面臨大量工作負(fù)載和復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理挑戰(zhàn)，對高性能計(jì)算 (HPC) 的需求持續(xù)激增。高效、高帶寬、低延遲計(jì)算的新方法對于處理這些需求至關(guān)重要，因?yàn)閭鹘y(tǒng)技術(shù)在數(shù)據(jù)量、速度、能源效率和占用空間方面達(dá)到了極限。

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

為什么選擇光子學(xué)?

光子學(xué)是一項(xiàng)尖端技術(shù)，它將光的力量與硅的效率相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)低延遲、高速計(jì)算、數(shù)據(jù)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(gè)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(shí)提供卓越的性能。

硅光子系統(tǒng)的關(guān)鍵部件包括光源、調(diào)制器、探測器和光波導(dǎo)。激光光源產(chǎn)生通過波導(dǎo)引導(dǎo)的光子，調(diào)制器控制引導(dǎo)光的特性，允許將數(shù)據(jù)編碼到光信號(hào)上。光電探測器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換回由電子電路處理的電信號(hào)。

這些波導(dǎo)是使用成熟的半導(dǎo)體制造技術(shù)在硅襯底上制造的。通過調(diào)制波導(dǎo)的特性，例如其尺寸或折射率，可以操縱光來執(zhí)行數(shù)據(jù)計(jì)算和傳輸。

在 HPC 工作負(fù)載應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)硅光子學(xué)

HPC 工作負(fù)載可解決復(fù)雜的數(shù)學(xué)任務(wù)，其特點(diǎn)是巨大的計(jì)算要求和處理元素之間無縫數(shù)據(jù)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(kuò)展性有限的阻礙，難以跟上步伐。這些問題出現(xiàn)在計(jì)算內(nèi)核和內(nèi)存之間的芯片接口、用于計(jì)算任務(wù)的芯片到芯片接口以及用于高速、低延遲網(wǎng)絡(luò)的機(jī)架到機(jī)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(fù)載至關(guān)重要。硅光子學(xué)可實(shí)現(xiàn)前所未有的數(shù)據(jù)傳輸速度，非常適合數(shù)據(jù)中心，為處理需要更快數(shù)據(jù)傳輸速度、更高能效和更低延遲的 HPC 工作負(fù)載帶來好處。通過利用基于光的傳輸，硅光子學(xué)超越了傳統(tǒng)銅基互連的局限性，顯著降低了延遲并實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。

HPC 工作負(fù)載也因其高功耗而臭名昭著，導(dǎo)致運(yùn)營成本增加和環(huán)境影響。在這方面，基于光的計(jì)算再次帶來了一個(gè)優(yōu)勢：由于光子傳輸數(shù)據(jù)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(fù)載嚴(yán)重依賴準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)傳輸。硅光子學(xué)通過最大限度地減少信號(hào)衰減和電磁干擾來增強(qiáng)信號(hào)完整性。使用基于光的傳輸可確保整個(gè)通信過程中的數(shù)據(jù)完整性，從而為 HPC 計(jì)算提供精確可靠的結(jié)果。

光子學(xué)加速 HPC 工作負(fù)載的潛在用例包括機(jī)架到機(jī)架互連、內(nèi)存和存儲(chǔ)加速以及芯片內(nèi)通信：

機(jī)架到機(jī)架互連：HPC 系統(tǒng)通常由數(shù)據(jù)中心內(nèi)互連的多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)組成。硅光子學(xué)可用于在這些節(jié)點(diǎn)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(shù)據(jù)，延遲最小，功耗更低。這樣可以在計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)更快的通信和數(shù)據(jù)傳輸，從而促進(jìn) HPC 集群中的高效并行計(jì)算。

內(nèi)存和存儲(chǔ)加速：HPC 工作負(fù)載通常涉及密集的數(shù)據(jù)訪問和存儲(chǔ)操作。硅光子學(xué)可用于增強(qiáng)HPC系統(tǒng)中的內(nèi)存和存儲(chǔ)性能。通過利用標(biāo)準(zhǔn)互連協(xié)議(如光纖上的計(jì)算高速鏈路 (CXL)，可以顯著加快處理器和內(nèi)存/存儲(chǔ)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(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用特別有利，在這些應(yīng)用中，快速數(shù)據(jù)訪問和處理至關(guān)重要。

芯片內(nèi)通信：在單個(gè)芯片內(nèi)，基于光子學(xué)的片上光網(wǎng)絡(luò)可用于增強(qiáng)組件之間的通信，例如處理器、內(nèi)存緩存、加速器和小芯片。通過將光子學(xué)集成到芯片設(shè)計(jì)中，可以使用波導(dǎo)創(chuàng)建高速和低延遲通信路徑，從而減少數(shù)據(jù)傳輸瓶頸并實(shí)現(xiàn)不同功能單元之間的高效數(shù)據(jù)移動(dòng)。這可以提高整體芯片性能，特別是對于需要高級(jí)別并行性和數(shù)據(jù)共享的復(fù)雜 HPC 工作負(fù)載。

總體而言，數(shù)據(jù)中心的光子學(xué)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(fù)載方面具有巨大潛力。它支持更快的數(shù)據(jù)傳輸、改進(jìn)計(jì)算節(jié)點(diǎn)和集群之間的通信、加速內(nèi)存和存儲(chǔ)訪問以及增強(qiáng)的片內(nèi)連接。這些進(jìn)步有助于更高效、更可擴(kuò)展的 HPC 系統(tǒng)，使用戶能夠以更高的速度和準(zhǔn)確性處理復(fù)雜的計(jì)算問題。

創(chuàng)建光子學(xué)生態(tài)系統(tǒng)以促進(jìn)采用

為了實(shí)現(xiàn)硅光子學(xué)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(xué)術(shù)界和研究機(jī)構(gòu)之間的合作對于推動(dòng)創(chuàng)新、加速光子學(xué)解決方案的開發(fā)以及在制造技術(shù)、組件集成和系統(tǒng)優(yōu)化方面實(shí)現(xiàn)突破至關(guān)重要。

行業(yè)主導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)化工作也促進(jìn)了協(xié)作，同樣至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兇_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(biāo)準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)無縫集成，促進(jìn)市場繁榮和廣泛采用。

采用這種創(chuàng)新技術(shù)需要一種協(xié)作方法來調(diào)整實(shí)施以解決特定的 HPC 工作負(fù)載。新興的光子計(jì)算初創(chuàng)公司生態(tài)系統(tǒng)為采用這項(xiàng)技術(shù)并參與影響其路線圖創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。為了充分利用光子學(xué)在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中的潛力，HPC運(yùn)營商必須有效地引導(dǎo)采用之路以獲得好處。

政策制定者需要合作創(chuàng)造一個(gè)有利的環(huán)境，培育創(chuàng)新，保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，解決潛在的監(jiān)管障礙。支持性法規(guī)可以激勵(lì)數(shù)據(jù)中心采用光子技術(shù)，并加速其對 HPC 工作負(fù)載的采用。合作努力、研發(fā)投資、標(biāo)準(zhǔn)化和監(jiān)管支持將為硅光子學(xué)技術(shù)的廣泛采用鋪平道路。通過利用硅光子學(xué)的優(yōu)勢，數(shù)據(jù)中心可以加速 HPC 工作負(fù)載，推動(dòng)各個(gè)領(lǐng)域的創(chuàng)新并推動(dòng)增長。