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摩尔定律遇困境:光电混合技术成为未来计算芯片的突破口
2024-07-09 来源:互联网
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关键词: 光电混合

当前挑战与光电混合的兴起

随着半导体技术的不断发展,摩尔定律——即晶体管数量每两年翻一番的预测——正面临着前所未有的挑战。传统的硅器件在性能提升方面需要付出越来越高的成本,而这一趋势使得寻找新的技术突破口成为当务之急。在这种背景下,光电混合技术(Optoelectronic Integration)被广泛认为是未来计算芯片领域突破性能瓶颈的有效手段。近年来,国际固态电路会议(ISSCC)和2024年世界人工智能大会(WAIC 2024)等顶级科技会议也对光电混合技术给予了高度关注。在WAIC 2024上,曦智科技展示的前沿光电混合技术成为了讨论的焦点,吸引了广泛的业界关注。

曦智科技在WAIC 2024的展示亮点

在2024年世界人工智能大会上,曦智科技展出了其最新研发的OptiHummingbird人工智能推理卡。这款产品基于片上光网络技术(oNOC),是全球首款全长、全高、双插槽PCIe Gen3人工智能推理卡。OptiHummingbird不仅展示了在CPO共封装光学技术(Co-Packaged Optics, CPO)方面的技术积累,还展现了其在光计算和光互连硬件领域的最新成果。参会观众对曦智科技的展台表现出极大的兴趣,详细了解了这些前沿技术的应用前景。

光电混合技术的革命性优势

光电混合技术被誉为“未来科技之光”,这一说法并非夸张。硅光技术通过集成光子器件在计算和传输方面展现了极大的优势。光子芯片具有高速、大带宽和低功耗的特点,能够有效处理海量数据,避免了电信号传输中的噪声和延迟问题。同时,硅光计算芯片能够在单个芯片内集成多种光子器件,提升了集成度,并且可以与现有的硅半导体器件和制造工艺兼容,为未来的计算和通信系统提供了新的可能性。

曦智科技的OptiHummingbird人工智能推理卡充分利用了这种技术,其芯片采用了先进的3D封装技术,将硅光芯片和微电子芯片通过中间层垂直堆叠。微电子芯片内部集成了64个计算核心,而硅光芯片则负责提供oNOC(Optical Network on Chip)片上光网络功能。oNOC技术不仅支持单芯片内部的数据传输,还能够实现封装内多个电芯片之间的数据通信,因此在多核异构计算中扮演了关键角色。通过这种技术,OptiHummingbird加速卡在实现高计算性能的同时,仅需要被动散热,硬件功耗被控制在65W以内。

前沿技术与突破性成果

曦智科技在光电混合领域的技术储备涵盖了多个前沿方向。其中,oMAC光子矩阵计算技术利用光子代替传统电子进行数据处理,主要进行线性运算,包括矩阵乘法和矩阵与向量之间的运算。此外,oNET片间光网络技术类似于一个光学总线(optical BUS),能够在单元之间通过光纤实现数据交换。这些技术为光电混合计算提供了新的理论基础和技术手段。

在展会上,曦智科技还展示了第二代光子计算处理器PACE。PACE的核心组件包括一个64x64的光学矩阵乘法器,由一块硅光芯片和一块CMOS微电子芯片通过3D封装技术进行堆叠。PACE在运行时的系统时钟频率为1GHz,单个光子芯片上集成了超过10000个光子器件。展会现场的演示表明,PACE在解决复杂的最大割问题时,其性能显著优于当时市场上领先的GPU芯片,展示了光子计算在实际应用中的巨大潜力。

推动资源池化与全光互连的应用探索

除了计算能力的突破,曦智科技还在光电传输技术方面进行积极探索。当前市场对光电传输的需求主要体现在两个方面。首先,数据中心的计算和存储分离式架构日益普及,这种架构对低延迟互连技术如PCIe和CXL有着极高的需求。光互连技术在实现CXL互连方面展现出了非常有效的解决方案。其次,构建全光底座(All-Optical Backbone)是数据中心和网络建设中的重要目标,通过超大规模的全光组网、城域池化波分和全光综合接入技术,来实现超大带宽、超低时延和超高可靠性的网络连接。这些需求都推动了光电混合技术的发展。

在WAIC 2024上,曦智科技展示了首款兼容PCIe和CXL协议的数据中心计算光互连硬件产品Photowave。Photowave产品系列包括标准PCIe卡、OCP 3.0 SFF卡和有源光缆等多种形态,支持x16、x8、x4和x2等不同通道配置,广泛适用于服务器平台、CXL交换机、存储应用以及xPU之间的互连。Photowave在低延迟和能效方面具有显著优势,其数据传输延迟低于20纳秒,而有源光缆的延迟甚至低于1纳秒,功耗也控制在15瓦以下。特别值得一提的是,Photowave的核心技术是oNET片间光网络,oNET与CXL的结合为数据中心的资源池化和横向扩展提供了强有力的技术支持。

此外,曦智科技还展示了基于OCS(Optical Circuit Switching)技术的跨服务器XPU光互连解决方案。OCS是一种光学交叉开关原理的光信号控制交换技术,能够在光层面上实现信号的快速、灵活的路由和切换,从而实现服务器端口的直接光学互连,避免了光电转换带来的能耗损失。

未来展望

根据Yole的统计数据,2022年全球硅光市场的规模达到了6800万美元,预计到2028年将增长至6亿美元,年复合增长率预期为44%。随着硅器件计算瓶颈的加剧,光电混合技术在计算和传输领域的巨大潜力正逐步显现。曦智科技凭借其在光电混合技术方面的创新努力,不仅在计算能力上取得了突破,也在数据传输技术上展现了前瞻性的解决方案。未来,光电混合技术有望在更广泛的应用场景中发挥重要作用,成为推动计算和传输技术进步的关键力量。