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(chuàng)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(jì)算（HPC）和人工智能（AI）系統(tǒng)。TeraPHY技術(shù)利用硅光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(guān)鍵特征和優(yōu)勢(shì)，跨HPC、AI、數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)和國(guó)防的應(yīng)用，以及光I/O方法的可靠性優(yōu)勢(shì)。

簡(jiǎn)介 ：
     高性能計(jì)算和人工智能已成為關(guān)鍵的戰(zhàn)略技術(shù)，在科學(xué)、醫(yī)學(xué)、商業(yè)和國(guó)防等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新。但是，HPC和AI系統(tǒng)的增長(zhǎng)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(shù)無(wú)法為未來的系統(tǒng)提供所需的帶寬密度、能源效率、延遲和可擴(kuò)展性。Ayar Labs為此問題開發(fā)了突破性的解決方案：TeraPHY光I/O技術(shù)。TeraPHY在硅芯片上集成了電子和光電子器件，可以集成到標(biāo)準(zhǔn)芯片封裝中。再加上Ayar的SuperNova多波長(zhǎng)光源，TeraPHY可以在芯片之間實(shí)現(xiàn)直接光連接，提供電氣I/O無(wú)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(guān)鍵功能，其應(yīng)用和優(yōu)勢(shì)，以及為什么它代表未來計(jì)算系統(tǒng)的革命性變化。


圖一 TeraPHY光學(xué) 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(shù)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(biāo)準(zhǔn)芯片封裝內(nèi)的電子芯片旁邊實(shí)現(xiàn)高速光I/O端口的高密度集成。

     TeraPHY芯片與Ayar的SuperNova多波長(zhǎng)激光源一起工作，后者可以遠(yuǎn)程放置，并通過光纖電纜與芯片封裝相耦合。這提供了一個(gè)完整的光I/O解決方案：SuperNova生成多種波長(zhǎng)的光，而TeraPHY對(duì)該光進(jìn)行調(diào)制和接收以傳輸和接收數(shù)據(jù)。

TeraPHY I/O解決方案的關(guān)鍵功能和優(yōu)勢(shì)包括：

· 極端的帶寬密度：每個(gè)芯片可達(dá)2 Tbps帶寬，或每個(gè)芯片邊緣200 Gbps，比電氣I/O高1000倍；
· 超低延遲：每個(gè)芯片5 ns，比電氣I/O快10倍，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(jī)架間，毫米到公里；
· 高可靠性：符合GR-468標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)噪音、EMI、電壓波動(dòng)具有抗擾性。

    TeraPHY和SuperNova提供了下一代HPC和AI系統(tǒng)所需的容量、速度、效率和穩(wěn)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(tǒng)
Ayar光學(xué)I/O技術(shù)的極高帶寬密度和低延遲可以實(shí)現(xiàn)HPC和AI應(yīng)用性能的革命性飛躍：

· 幾小時(shí)而不是幾周訓(xùn)練復(fù)雜的AI模型(如GPT-3)；
· 將HPC工作負(fù)載的時(shí)間縮短10倍或更多；
· 為關(guān)鍵應(yīng)用實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)AI推理；
· 橫向擴(kuò)展AI和HPC系統(tǒng)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(jìn)行大規(guī)模并行AI訓(xùn)練和推理；
· 低延遲連接CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)、加速器和網(wǎng)絡(luò)；
· 具有靈活資源池的機(jī)架規(guī)模的解耦計(jì)算；
·  HPC、網(wǎng)絡(luò)和嵌入式處理器的芯片間互連；
· 下一代無(wú)線、激光雷達(dá)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

     單個(gè)TeraPHY芯片的極端帶寬容量(2 Tbps)可以替代數(shù)百個(gè)電氣I/O或光纖。這降低了成本、復(fù)雜性和功耗。通過組合同封裝光學(xué)的經(jīng)濟(jì)性、性能和靈活性，Ayar的解決方案有助于實(shí)時(shí)AI、個(gè)性化醫(yī)療、智能無(wú)線電和其他未來應(yīng)用成為可能并易于探索。

光I/O的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)——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(wěn)健性優(yōu)勢(shì)：

· 免受可破壞電氣信號(hào)的電磁干擾；
· 更低的熱阻；更好的散熱；
· 耐電源噪聲和波動(dòng)；
· 符合GR-468標(biāo)準(zhǔn)，在極端環(huán)境下保證光電子器件的可靠性；
· 單片集成減少了相對(duì)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(hào)而不是電信號(hào)，光I/O避免了HPC和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的許多常見故障機(jī)制。這提升了正常運(yùn)行時(shí)間，降低了維護(hù)成本，并延長(zhǎng)了系統(tǒng)的使用壽命。

PIC Studio
PIC Studio有潛力支持開發(fā)類似Ayar Labs光I/O解決方案的產(chǎn)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(shè)計(jì)，這可以方便像Ayar的TeraPHY這樣的光收發(fā)芯片的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。 自動(dòng)布局功能也可以提高設(shè)計(jì)者的生產(chǎn)效率；
· pSim電路模擬器支持光收發(fā)器設(shè)計(jì)所需的關(guān)鍵分析，包括時(shí)域/頻域、調(diào)制和光纖鏈路仿真。 這可以幫助建模和優(yōu)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(lián)合仿真，這對(duì)于建模光電芯片與電子芯片之間的接口至關(guān)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(yàn)證光學(xué)封裝；
· PIC Studio支持來自多個(gè)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(duì)光調(diào)制器和相干收發(fā)器等電路的設(shè)計(jì)教程的可用性表明，PIC Studio具有支持開發(fā)光I/O鏈接的功能。

     PIC Studio非常適合設(shè)計(jì)和驗(yàn)證類似Ayar Labs技術(shù)的硅基光電子收發(fā)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(duì)Ayar類似產(chǎn)品的性能進(jìn)行建模。

結(jié)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(shí)現(xiàn)下一代計(jì)算和AI系統(tǒng)。通過其創(chuàng)新硅基光電子和封裝解決方案，Ayar Labs為加速實(shí)現(xiàn)、解鎖和部署新的智能服務(wù)鋪平了道路。

（來源：逍遙科技）