前言：

新的光電共封裝技術(shù)或取代數(shù)據(jù)中心中的電互連裝置，大幅提高AI和其他計算應(yīng)用的速度與能效。

作者 | 方文三

圖片來源 |  網(wǎng) 絡(luò) 

IBM新型的共封裝光學(xué)技術(shù)

近日，IBM宣布了一項(xiàng)重大的光學(xué)技術(shù)突破，該技術(shù)可以以光速訓(xùn)練AI模型，同時節(jié)省大量能源。

IBM發(fā)布的技術(shù)論文顯示，這項(xiàng)技術(shù)是一種新型的共封裝光學(xué)技術(shù)（co-packaged optics），可以利用光速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的連接，從而替代目前使用的銅電纜。

盡管光纖技術(shù)已在全球商業(yè)和通信中廣泛應(yīng)用，但大多數(shù)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部仍依賴于銅電纜進(jìn)行短距離通訊。這導(dǎo)致GPU加速器在訓(xùn)練過程中常常處于閑置狀態(tài)，浪費(fèi)大量的時間和能源。

因此IBM的研究團(tuán)隊展示了如何將光的速度和容量引入數(shù)據(jù)中心，顯著提高數(shù)據(jù)中心的通信帶寬，減少GPU的閑置時間，從而加速AI模型的處理速度。

共封裝光學(xué)技術(shù)的核心理念

共封裝光學(xué)技術(shù)，是將激光器、調(diào)制器、光電探測器等光學(xué)元件與電子元件共同封裝在一個芯片內(nèi)。這種技術(shù)不僅提高了產(chǎn)品的集成度和可靠性，還顯著降低了系統(tǒng)成本和復(fù)雜度。

通過光纖連接，CPO芯片能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高效的光學(xué)傳輸和處理，從而大幅提升系統(tǒng)性能。

事實(shí)上，CPO并不是最近才有的新技術(shù)。早在一年前，臺積電就攜手博通、英偉達(dá)等大客戶共同推進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)進(jìn)度，制程技術(shù)從45nm延伸到7nm，原計劃2024年就開始迎來大單，并在2025年左右達(dá)到放量階段。

比現(xiàn)有芯片間通信帶寬快80倍

得益于近年來芯片技術(shù)的飛速發(fā)展，芯片上能夠容納更多、更密集的晶體管。以IBM的2納米芯片技術(shù)為例，其可在單一芯片上植入500多億個晶體管。

在這樣的技術(shù)基礎(chǔ)上，光電共封裝技術(shù)致力于擴(kuò)大加速器之間的互連密度，幫助芯片制造商在電子模組上添加連接芯片的光通路，從而突破現(xiàn)有電子通路的帶寬限制。

IBM所研發(fā)的新型高帶寬密度光學(xué)結(jié)構(gòu)以及相關(guān)創(chuàng)新成果，通過每個光通道傳輸多個波長，有望將芯片間的通信帶寬提升至電線連接的80倍。

增加光纖連接數(shù)量

與目前最先進(jìn)的光電共封裝技術(shù)相比，IBM的創(chuàng)新成果使芯片制造商能夠在硅光子芯片邊緣增加六倍數(shù)量的光纖，即所謂的“鬢發(fā)密度 (beachfront density)”。

每根光纖寬度約為頭發(fā)絲的三倍，長度從幾厘米到幾百米不等，卻可傳輸每秒萬億比特級別的數(shù)據(jù)。

這意味著數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸能力將得到極大提升，為大規(guī)模數(shù)據(jù)的快速處理提供了有力支持。

通過嚴(yán)格測試確保穩(wěn)定性

IBM團(tuán)隊采用標(biāo)準(zhǔn)封裝工藝，在50微米間距的光通道上封裝高密度的聚合物光波導(dǎo) (PWG)，并與硅光子波導(dǎo)絕熱耦合。

尤為值得一提的是，此次光電共封裝模塊采用50微米間距的聚合物光波導(dǎo)，首次成功通過了制造所需的所有壓力測試。

這些測試涵蓋高濕度環(huán)境、 -40°C至125°C的極端溫度以及機(jī)械耐久性測試，確保了光互連裝置即使在彎曲等復(fù)雜情況下，也不會出現(xiàn)斷裂或數(shù)據(jù)丟失的問題，為該技術(shù)在實(shí)際數(shù)據(jù)中心環(huán)境中的可靠應(yīng)用提供了堅實(shí)保障。

原理簡單實(shí)際推廣上難度并不小

這種所謂的“硅光芯片”，是在硅的平臺上，將傳統(tǒng)芯片中的電晶體替換成光電元件，進(jìn)行電與光訊號的傳導(dǎo)。對比傳統(tǒng)芯片會出現(xiàn)電訊號的丟失與耗損的情況，光訊號不僅損耗少，還實(shí)現(xiàn)更高頻寬和更快速度的數(shù)據(jù)處理。

首先，硅光產(chǎn)品并沒有到大規(guī)模需求階段。雖說有自動駕駛和數(shù)據(jù)中心兩大領(lǐng)域的需求，但目前還沒有主流芯片廠商推出高性能芯片。

其次，硅光產(chǎn)品需要考慮相對高昂的成本問題。受限于大量光學(xué)器件，一個硅光器件需要采用各種材料，在缺乏大規(guī)模需求的情況下，硅光產(chǎn)品成為一種“高價、低性價比”的產(chǎn)品。同時，器件的性能與良品率難以得到保障。

最后，硅光芯片在打通各個環(huán)節(jié)還需要努力。例如設(shè)計環(huán)節(jié)，雖然已經(jīng)有EDA工具支持，但算不上專用；而在制造與封裝環(huán)節(jié)，類似臺積電、三星等大型晶圓代工廠都沒有提供硅光工藝晶圓代工服務(wù)。

即便是已經(jīng)推出COUPE技術(shù)的臺積電，短時間內(nèi)會專注更加成熟的封裝方案，很難勻出產(chǎn)能提供給硅光芯片。

結(jié)尾：

面對日益增長的 AI 性能需求，光電共封裝技術(shù)開創(chuàng)了一條新的通信途徑，并可能取代從電子到光學(xué)的模塊外通信，這一技術(shù)突破延續(xù)了IBM 在半導(dǎo)體創(chuàng)新方面的領(lǐng)導(dǎo)地位。

內(nèi)容來源于：美通社：IBM 發(fā)布光學(xué)技術(shù)關(guān)鍵突破，生成式AI迎來"光速時代"；鎂客網(wǎng)：IBM官宣全新光學(xué)技術(shù)，用光也能訓(xùn)練AI？

       原文標(biāo)題 : AI芯天下丨趨勢丨IBM研發(fā)共封裝光學(xué)技術(shù)，加速AI模型訓(xùn)練