Intel demuestra el primer chiplet de I/O óptico totalmente integrado

Se espera que el chiplet de interconexión óptica de cómputo de Intel revolucione el procesamiento de datos de alta velocidad para la infraestructura de IA.

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  • 26 de junio de 2024

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Novedades: Intel Corporation ha logrado un hito revolucionario en la tecnología fotónica integrada para la transmisión de datos de alta velocidad. En la Optical Fiber Communication Conference (OFC) 2024, Integrated Photonics Solutions (IPS) Group de Intel mostró el chiplet de interconexión óptica de cómputo (OCI), el primero completamente integrado y empaquetado junto con un CPU de Intel, funcionando con datos en tiempo real. El chiplet OCI de Intel representa gran avance en la interconexión de gran ancho de banda al permitir la entrada/salida óptica (I/O) empaquetada junto a la infraestructura emergente de IA para centros de datos y aplicaciones de computación de alto rendimiento (HPC).

"El creciente traslado de datos de un servidor a otro está poniendo a prueba las capacidades de la infraestructura actual de los centros de datos, y las soluciones actuales están acercándose rápidamente a los límites prácticos del rendimiento de la I/O eléctrica. Sin embargo, el logro revolucionario de Intel permite a los clientes integrar sin problemas soluciones de interconexión de fotónica de silicio en paquetes conjuntos en los sistemas informáticos de próxima generación. Nuestro chiplet OCI aumenta el ancho de banda, reduce el consumo de energía y aumenta el alcance, lo que permite la aceleración de la carga de trabajo de ML que promete revolucionar la infraestructura de IA de alto rendimiento".

–Thomas Liljeberg, director sénior, Gestión y Estrategia de Productos, Integrated Photonics Solutions (IPS) Group

Qué hace: Este primer chip OCI está diseñado para soportar 64 canales de transmisión de datos a 32 gigabits por segundo (Gbps) en cada dirección, en hasta 100 metros de fibra óptica. Se espera que responda a las crecientes demandas de la infraestructura de IA de mayor ancho de banda, menor consumo de energía y mayor alcance. Permite la escalabilidad futura de la conectividad entre clusters de CPU/GPU y nuevas arquitecturas de computación, incluyendo la expansión coherente de memoria y la desagregación de recursos.

Por qué es importante: Las aplicaciones basadas en IA se implementan cada vez más a nivel mundial, y los desarrollos recientes en modelos de lenguaje grandes (LLM) e IA generativa están acelerando esa tendencia. Los modelos de aprendizaje automático (ML) más grandes y eficientes desempeñarán un papel clave para abordar los requisitos emergentes de las cargas de trabajo de aceleración de IA. La necesidad de escalar las plataformas de computación para IA está impulsando un crecimiento exponencial en el ancho de banda de I/O y mayor alcance para soportar clusters más grandes de unidades de procesamiento (CPU/GPU/IPU) y arquitecturas con una utilización más eficiente de recursos, como la desagregación xPU y el agrupamiento de memoria.

La I/O eléctrica (es decir, conectividad con trazas de cobre) ofrece alta densidad de ancho de banda y bajo consumo de energía, pero solo permite alcances cortos de aproximadamente un metro o menos. Los módulos transceptores ópticos conectables utilizados en los centros de datos y los primeros clústeres de IA pueden aumentar el alcance a niveles de costo y potencia que no son sostenibles con los requisitos de escalado de las cargas de trabajo de IA. Una solución de I/O óptica xPU empaquetada conjuntamente puede soportar anchos de banda más altos con una mayor eficiencia energética, baja latencia y mayor alcance, exactamente lo que requiere el escalado de la infraestructura de IA/ML.

Como analogía, reemplazar la I/O eléctrica con I/O óptica en CPUs y GPUs para la transferencia de datos es como pasar de usar carretas de caballos para distribuir bienes, limitadas en capacidad y alcance, a usar automóviles y camiones que pueden entregar cantidades mucho mayores de bienes a distancias mucho más largas. Este nivel de desempeño y costo de energía mejorados es lo que las soluciones de I/O ópticas, como el chiplet OCI emergente de Intel, aportan al escalamiento de la IA.

Cómo funciona: El chiplet OCI totalmente integrado aprovecha la tecnología de fotónica de silicio comprobada de Intel e integra un circuito integrado de fotónica de silicio (PIC), que incluye láseres en chip y amplificadores ópticos, con un CI eléctrico. El chiplet OCI demostrado en OFC fue empaquetado conjuntamente con una CPU Intel, pero también se puede integrar con CPUs, GPUs, IPUs y otros sistemas sobre chips (SoCs) de próxima generación.

Esta primera implementación de OCI admite transferencia de datos bidireccionales de hasta 4 terabits por segundo (Tbps), compatible con interconexión de componentes periféricos expresos (PCIe) Gen5. La demostración de enlace óptico en vivo muestra una conexión de transmisor (Tx) y receptor (Rx) entre dos plataformas de CPU a través de un cable de conexión de fibra monomodo (SMF). Las CPU generaron y midieron la tasa de error de bits ópticos (BER), y la demostración muestra el espectro óptico Tx con 8 longitudes de onda a un espacio de 200 gigahercios (GHz) en una sola fibra, junto con un diagrama de ojos Tx de 32 Gbps que ilustra una fuerte calidad de señal.

El chiplet actual admite 64 canales de datos de 32 Gbps en cada dirección de hasta 100 metros (aunque las aplicaciones prácticas pueden limitarse a decenas de metros debido a la latencia del tiempo de vuelo), utilizando ocho pares de fibras, cada uno con ocho longitudes de onda densas de multiplexación por división de longitud de onda (DWDM). La solución co-empaquetada también es notablemente eficiente energéticamente, consumiendo solo 5 pico-Joules (pJ) por bit en comparación con los módulos de transceptor óptico conectables a aproximadamente 15 pJ / bit. Este nivel de hipereficiencia es fundamental para los centros de datos y los entornos informáticos de alto desempeño, y podría ayudar a abordar los requisitos de energía insostenible de la IA.

Acerca del liderazgo de Intel en fotónica del silicio: Como líder del mercado en fotónica del silicio, aprovecha más de 25 años de investigación interna de los laboratorios, que fueron pioneros en la fotónica integrada. Intel fue la primera empresa en desarrollar y enviar productos de conectividad basados en fotónica del silicio con una fiabilidad líder en la industria y en gran volumen a los principales proveedores de servicios en la nube.

El principal diferenciador de la empresa es la integración sin precedentes con la tecnología híbrida láser en oblea y la integración directa, que brindan mayor confiabilidad y menores costos. Este enfoque único permite a Intel ofrecer un desempeño superior sin perder la eficiencia. La robusta plataforma de gran volumen de Intel cuenta con más de 8 millones de PICs con más de 32 millones de láseres integrados en el chip, lo que demuestra una tasa de fallas en tiempo (FIT) de láser inferior a 0,1, una medida de confiabilidad ampliamente utilizada que representa las tasas de fallas y cuántas fallas se producen.

Estos PIC se empaquetaron en módulos transceptores conectables, implementados en grandes redes de centros de datos en los principales proveedores de servicios en la nube de hiperescala para aplicaciones de 100, 200 y 400 Gbps. Se están desarrollando PICs de 200G/carril de próxima generación para admitir aplicaciones emergentes de 800 Gbps y 1,6 Tbps.

Intel también está implementando un nuevo nodo de proceso de fábrica de fotónica del silicio con un desempeño de dispositivo de vanguardia (SOA), mayor densidad, mejor acoplamiento y economía enormemente mejorada. La compañía sigue avanzando en el desempeño del láser en chip y SOA, el costo (más del 40 % de reducción del área de dado y la potencia) y la potencia (más del 15 % de reducción).

Lo que sigue: El chiplet OCI actual de Intel es un prototipo. Intel está trabajando con clientes selectos para empaquetar OCI junto con sus SOC como una solución de E/S óptica.

El chiplet OCI de Intel representa un salto adelante en la transmisión de datos de alta velocidad. A medida que el panorama de la infraestructura de IA evoluciona, Intel se mantiene a la vanguardia, impulsando la innovación y dando forma al futuro de la conectividad.

Más contexto: Intel Silicon Photonics (Intel.com)