解鎖AI與HPC的全新潛能：Ayar Labs的光互連技術

10/09/2023，光纖在線訊，作者：陳昇祐，逍遙科技。摘要：本文概述了Ayar Labs的創新TeraPHY光輸入/輸出（I/O）解決方案，以及它如何通過克服電氣I/O的局限性來革新高性能計算（HPC）和人工智能（AI）系統。TeraPHY技術利用硅光子技術實現芯片間直接光連接，提供了前所未有的帶寬密度、功耗效率和低延遲。我們討論了TeraPHY芯片和SuperNova光源的關鍵特征和優勢，跨HPC、AI、數據中心、網絡和國防的應用，以及光I/O方法的可靠性優勢。

簡介 ：
     高性能計算和人工智能已成為關鍵的戰略技術，在科學、醫學、商業和國防等領域實現創新。但是，HPC和AI系統的增長越來越受到互連瓶頸、功率限制和成本的制約。如銅線和可插拔光模塊等電氣I/O技術無法為未來的系統提供所需的帶寬密度、能源效率、延遲和可擴展性。Ayar Labs為此問題開發了突破性的解決方案：TeraPHY光I/O技術。TeraPHY在硅芯片上集成了電子和光電子器件，可以集成到標準芯片封裝中。再加上Ayar的SuperNova多波長光源，TeraPHY可以在芯片之間實現直接光連接，提供電氣I/O無法匹敵的大帶寬、超低延遲和功率效率。

     本文介紹了Tera PHY光I/O的關鍵功能，其應用和優勢，以及為什么它代表未來計算系統的革命性變化。


圖一 TeraPHY光學 I/O chiplet 是一種突破性的 I/O 替代方案，可提供高速、高密度、低功耗的互連

TeraPHY光I/O技術概述

     Ayar Labs的TeraPHY光I/O芯片使用專有的單片制造工藝，在CMOS兼容硅襯底上集成了電子和光電子器件。這使得能在標準芯片封裝內的電子芯片旁邊實現高速光I/O端口的高密度集成。

     TeraPHY芯片與Ayar的SuperNova多波長激光源一起工作，后者可以遠程放置，并通過光纖電纜與芯片封裝相耦合。這提供了一個完整的光I/O解決方案：SuperNova生成多種波長的光，而TeraPHY對該光進行調制和接收以傳輸和接收數據。

TeraPHY I/O解決方案的關鍵功能和優勢包括：

· 極端的帶寬密度：每個芯片可達2 Tbps帶寬，或每個芯片邊緣200 Gbps，比電氣I/O高1000倍；
· 超低延遲：每個芯片5 ns，比電氣I/O快10倍，實現實時處理；
· 高能源效率：<5 pJ/比特，比電氣I/O效率高10倍，可降低功耗和冷卻成本；
· 靈活的傳輸距離：從芯片間到機架間，毫米到公里；
· 高可靠性：符合GR-468標準，對噪音、EMI、電壓波動具有抗擾性。

    TeraPHY和SuperNova提供了下一代HPC和AI系統所需的容量、速度、效率和穩健性，以克服互連瓶頸。


圖二 Ayar Labs 展示的 4Tbps 配置

革新HPC和AI系統
Ayar光學I/O技術的極高帶寬密度和低延遲可以實現HPC和AI應用性能的革命性飛躍：

· 幾小時而不是幾周訓練復雜的AI模型(如GPT-3)；
· 將HPC工作負載的時間縮短10倍或更多；
· 為關鍵應用實現實時AI推理；
· 橫向擴展AI和HPC系統以拓展容量。

可以從TeraPHY光I/O中受益的特定用例包括：

· 連接GPU/TPU陣列進行大規模并行AI訓練和推理；
· 低延遲連接CPU、內存、存儲、加速器和網絡；
· 具有靈活資源池的機架規模的解耦計算；
·  HPC、網絡和嵌入式處理器的芯片間互連；
· 下一代無線、激光雷達和衛星網絡。

     單個TeraPHY芯片的極端帶寬容量(2 Tbps)可以替代數百個電氣I/O或光纖。這降低了成本、復雜性和功耗。通過組合同封裝光學的經濟性、性能和靈活性，Ayar的解決方案有助于實時AI、個性化醫療、智能無線電和其他未來應用成為可能并易于探索。

光I/O的關鍵優勢——可靠性
與電氣I/O相比，Ayar Labs的TeraPHY光I/O解決方案具有固有的可靠性和穩健性優勢：

· 免受可破壞電氣信號的電磁干擾；
· 更低的熱阻；更好的散熱；
· 耐電源噪聲和波動；
· 符合GR-468標準，在極端環境下保證光電子器件的可靠性；
· 單片集成減少了相對于組裝離散組件的缺陷。

     通過在光I/O而不是銅線上傳輸光信號而不是電信號，光I/O避免了HPC和網絡系統中的許多常見故障機制。這提升了正常運行時間，降低了維護成本，并延長了系統的使用壽命。

PIC Studio
PIC Studio有潛力支持開發類似Ayar Labs光I/O解決方案的產品：

· PIC Studio提供了一整套集成的圖形捕獲、仿真和布局工具，用于光電芯片設計，這可以方便像Ayar的TeraPHY這樣的光收發芯片的設計和驗證。 自動布局功能也可以提高設計者的生產效率；
· pSim電路模擬器支持光收發器設計所需的關鍵分析，包括時域/頻域、調制和光纖鏈路仿真。 這可以幫助建模和優化類似Ayar光I/O鏈路的性能；
· PIC Studio支持光電鏈路與電子電路的聯合仿真，這對于建模光電芯片與電子芯片之間的接口至關重要。 這可以幫助確保光I/O解決方案的正常功能；
· PIC Studio中的開放接口允許與其他仿真工具(如FDTD、TCAD和Spice)集成。建模靈活性可以幫助多物理分析和驗證光學封裝；
· PIC Studio支持來自多個硅基光電子代工廠的PDK。 這可以為制造類似Ayar的芯片提供制造選擇；
針對光調制器和相干收發器等電路的設計教程的可用性表明，PIC Studio具有支持開發光I/O鏈接的功能。

     PIC Studio非常適合設計和驗證類似Ayar Labs技術的硅基光電子收發芯片和封裝。集成的工作流程和仿真功能可以提高工程效率。PIC Studio的靈活性將允許對Ayar類似產品的性能進行建模。

結論

     Ayar Labs的TeraPHY光I/O代表著高性能互連的巨大飛躍。提供大帶寬、低延遲、效率、傳輸距離和可靠性，TeraPHY和SuperNova克服了電氣I/O的局限，以實現下一代計算和AI系統。通過其創新硅基光電子和封裝解決方案，Ayar Labs為加速實現、解鎖和部署新的智能服務鋪平了道路。

（來源：逍遙科技）