解锁AI与HPC的全新潜能：Ayar Labs的光互连技术

10/09/2023，光纤在线讯，作者：陈昇祐，逍遥科技。摘要：本文概述了Ayar Labs的创新TeraPHY光输入/输出（I/O）解决方案，以及它如何通过克服电气I/O的局限性来革新高性能计算（HPC）和人工智能（AI）系统。TeraPHY技术利用硅光子技术实现芯片间直接光连接，提供了前所未有的带宽密度、功耗效率和低延迟。我们讨论了TeraPHY芯片和SuperNova光源的关键特征和优势，跨HPC、AI、数据中心、网络和国防的应用，以及光I/O方法的可靠性优势。

简介 ：
     高性能计算和人工智能已成为关键的战略技术，在科学、医学、商业和国防等领域实现创新。但是，HPC和AI系统的增长越来越受到互连瓶颈、功率限制和成本的制约。如铜线和可插拔光模块等电气I/O技术无法为未来的系统提供所需的带宽密度、能源效率、延迟和可扩展性。Ayar Labs为此问题开发了突破性的解决方案：TeraPHY光I/O技术。TeraPHY在硅芯片上集成了电子和光电子器件，可以集成到标准芯片封装中。再加上Ayar的SuperNova多波长光源，TeraPHY可以在芯片之间实现直接光连接，提供电气I/O无法匹敌的大带宽、超低延迟和功率效率。

     本文介绍了Tera PHY光I/O的关键功能，其应用和优势，以及为什么它代表未来计算系统的革命性变化。


图一 TeraPHY光学 I/O chiplet 是一种突破性的 I/O 替代方案，可提供高速、高密度、低功耗的互连

TeraPHY光I/O技术概述

     Ayar Labs的TeraPHY光I/O芯片使用专有的单片制造工艺，在CMOS兼容硅衬底上集成了电子和光电子器件。这使得能在标准芯片封装内的电子芯片旁边实现高速光I/O端口的高密度集成。

     TeraPHY芯片与Ayar的SuperNova多波长激光源一起工作，后者可以远程放置，并通过光纤电缆与芯片封装相耦合。这提供了一个完整的光I/O解决方案：SuperNova生成多种波长的光，而TeraPHY对该光进行调制和接收以传输和接收数据。

TeraPHY I/O解决方案的关键功能和优势包括：

· 极端的带宽密度：每个芯片可达2 Tbps带宽，或每个芯片边缘200 Gbps，比电气I/O高1000倍；
· 超低延迟：每个芯片5 ns，比电气I/O快10倍，实现实时处理；
· 高能源效率：<5 pJ/比特，比电气I/O效率高10倍，可降低功耗和冷却成本；
· 灵活的传输距离：从芯片间到机架间，毫米到公里；
· 高可靠性：符合GR-468标准，对噪音、EMI、电压波动具有抗扰性。

    TeraPHY和SuperNova提供了下一代HPC和AI系统所需的容量、速度、效率和稳健性，以克服互连瓶颈。


图二 Ayar Labs 展示的 4Tbps 配置

革新HPC和AI系统
Ayar光学I/O技术的极高带宽密度和低延迟可以实现HPC和AI应用性能的革命性飞跃：

· 几小时而不是几周训练复杂的AI模型(如GPT-3)；
· 将HPC工作负载的时间缩短10倍或更多；
· 为关键应用实现实时AI推理；
· 横向扩展AI和HPC系统以拓展容量。

可以从TeraPHY光I/O中受益的特定用例包括：

· 连接GPU/TPU阵列进行大规模并行AI训练和推理；
· 低延迟连接CPU、内存、存储、加速器和网络；
· 具有灵活资源池的机架规模的解耦计算；
·  HPC、网络和嵌入式处理器的芯片间互连；
· 下一代无线、激光雷达和卫星网络。

     单个TeraPHY芯片的极端带宽容量(2 Tbps)可以替代数百个电气I/O或光纤。这降低了成本、复杂性和功耗。通过组合同封装光学的经济性、性能和灵活性，Ayar的解决方案有助于实时AI、个性化医疗、智能无线电和其他未来应用成为可能并易于探索。

光I/O的关键优势——可靠性
与电气I/O相比，Ayar Labs的TeraPHY光I/O解决方案具有固有的可靠性和稳健性优势：

· 免受可破坏电气信号的电磁干扰；
· 更低的热阻；更好的散热；
· 耐电源噪声和波动；
· 符合GR-468标准，在极端环境下保证光电子器件的可靠性；
· 单片集成减少了相对于组装离散组件的缺陷。

     通过在光I/O而不是铜线上传输光信号而不是电信号，光I/O避免了HPC和网络系统中的许多常见故障机制。这提升了正常运行时间，降低了维护成本，并延长了系统的使用寿命。

PIC Studio
PIC Studio有潜力支持开发类似Ayar Labs光I/O解决方案的产品：

· PIC Studio提供了一整套集成的图形捕获、仿真和布局工具，用于光电芯片设计，这可以方便像Ayar的TeraPHY这样的光收发芯片的设计和验证。 自动布局功能也可以提高设计者的生产效率；
· pSim电路模拟器支持光收发器设计所需的关键分析，包括时域/频域、调制和光纤链路仿真。 这可以帮助建模和优化类似Ayar光I/O链路的性能；
· PIC Studio支持光电链路与电子电路的联合仿真，这对于建模光电芯片与电子芯片之间的接口至关重要。 这可以帮助确保光I/O解决方案的正常功能；
· PIC Studio中的开放接口允许与其他仿真工具(如FDTD、TCAD和Spice)集成。建模灵活性可以帮助多物理分析和验证光学封装；
· PIC Studio支持来自多个硅基光电子代工厂的PDK。 这可以为制造类似Ayar的芯片提供制造选择；
针对光调制器和相干收发器等电路的设计教程的可用性表明，PIC Studio具有支持开发光I/O链接的功能。

     PIC Studio非常适合设计和验证类似Ayar Labs技术的硅基光电子收发芯片和封装。集成的工作流程和仿真功能可以提高工程效率。PIC Studio的灵活性将允许对Ayar类似产品的性能进行建模。

结论

     Ayar Labs的TeraPHY光I/O代表着高性能互连的巨大飞跃。提供大带宽、低延迟、效率、传输距离和可靠性，TeraPHY和SuperNova克服了电气I/O的局限，以实现下一代计算和AI系统。通过其创新硅基光电子和封装解决方案，Ayar Labs为加速实现、解锁和部署新的智能服务铺平了道路。

（来源：逍遥科技）