فوتونیک سیلیکونی و فناوری نوری CPO در سرورهای هوش مصنوعی
مس سرانجام تسلیم نور شد؛ فناوری CPO و فوتونیک سیلیکونی امروزه با انتقال فوتون‌ها به کنار هسته پردازنده، گلوگاه انرژی و پهنای باند سرورهای هوش مصنوعی را در هم شکستند.
- بررسی جامع و موشکافانه تحول تاریخی زیرساخت‌های محاسباتی دیتاسنترها امروزه با بلوغ فناوری نوری Co-Packaged Optics (CPO) و اتصالات فوتونیک یکپارچه سیلیکونی (Silicon Photonics). واکاوی شکست بنیادین خطوط مسی در فرکانس‌های فراتر از ۲۲۴ گیگابیت بر ثانیه و پیدایش راهکارهای فوتونیک درون‌بسته‌ای؛ تحلیل کارکرد تشدیدگرهای میکرورینگی چندطیفی (DWDM)، کاهش توان مصرفی از ۱۵ پیکوژول بر بیت به کمتر از ۱.۵ پیکوژول بر بیت، امکان اتصال مستقیم هزاران شتاب‌دهنده هوش مصنوعی با پهنای باند ۳.۲ ترابیت بر ثانیه در هر کابل فیبر نوری و بازتعریف معماری خوشه‌های محاسبات ابری دوران کنونی.
- بررسی جامع ابعاد فنی و کاربردی توسط تحریریه ماگ بیت.
- پیش‌بینی اثرات کوتاه‌مدت و بلندمدت بر اکوسیستم فناوری.
بحران دیوار مس و اتلاف حرارتی در کلاسترهای غول‌پیکر هوش مصنوعی
آموزش مدل‌های هوش مصنوعی با صدها میلیارد پارامتر امروزه مستلزم برقراری ارتباط با پهنای باند فوق‌العاده میان ده‌ها هزار پردازنده گرافیکی (GPU) و شتاب‌دهنده تخصصی است. برای چندین دهه، کابل‌های مسی استاندارد و خطوط رسانای مسی بر روی فیبر مدار چاپی (PCB)، ستون فقرات ارتباطی سرورها را تشکیل می‌دادند. با این حال، با رسیدن سرعت تبادل سیگنال به ۲۲۴ گیگابیت بر ثانیه در هر خط (SerDes)، فیزیک مس به بن‌بست نهایی خود رسید.
در این فرکانس‌های رادیویی فوق‌بالا، پدیده اثر پوستی (Skin Effect) و تضعیف دی‌الکتریک، سیگنال الکتریکی را پس از طی چند ده سانتی‌متر مس به شدت تضعیف و کدر می‌کند. مهندسان مجبور بودند چیپ‌های تقویت‌کننده پرمصرفی به نام ریتایمر (Retimer) را در مسیر کابل‌ها قرار دهند؛ اقدامی که مصرف برق شبکه کلاستر را تا ۴۰ درصد کل مصرف دیتاسنتر بالا برد و حرارت وحشتناکی تولید نمود.
همان‌گونه که در بررسی معماری‌های نوین نظیر پردازش درون حافظه ممریستوری و رایانش آنالوگ هوش مصنوعی تشریح شد که حذف انتقال داده میان رم و پردازنده امری حیاتی است، در مقیاس رک‌های سرور نیز جایگزینی الکترون‌های تنبل با فوتون‌های نوری پرسرعت تنها راه نجات مراکز داده از بحران حرارتی دوران کنونی به شمار می‌رود.
معماری Co-Packaged Optics (CPO)؛ انتقال موتورهای فوتونیک به بستر پردازنده
تا پیش از این، تبدیل سیگنال الکتریکی به نور درون ماژول‌های فرستنده-گیرنده نوری قابل اتصال (Pluggable Optical Transceivers) در پنل جلویی سرور انجام می‌شد. این یعنی سیگنال الکتریکی همچنان مجبور بود فاصله‌ای طولانی را از پردازنده تا پنل سرور روی خطوط پراتلاف مسی طی کند.
فناوری بسته‌بندی پیشرفته Co-Packaged Optics (CPO) این معادله را کاملاً دگرگون ساخته است. در رویکرد CPO، موتورهای اپتیکال فوتونیکی متشکل از چیپلت‌های سیلیکون-فوتونیک به صورت مستقیم بر روی همان اینترپوزر مشترک (Substrate) در فاصله چند میلی‌متری از سیلیکون پردازنده اصلی قرار می‌گیرند.
این مجاورت نانومتری، طول خطوط انتقال الکتریکی را تا ۹۵ درصد کاهش داده و نیاز به مدارهای پیچیده تصحیح خطا و تقویت‌کننده‌های توان‌بالا را به طور کامل حذف می‌نماید؛ دستاوردی مهندسی که مصرف انرژی انتقال هر بیت داده را از ۱۵ پیکوژول به کمتر از ۱.۵ پیکوژول کاهش می‌دهد.
تشدیدگرهای میکرورینگی و لیزرهای DWDM؛ هدایت ده‌ها طول موج نوری در تار موی شیشه‌ای
ستون فقرات این تحول، استفاده از تشدیدگرهای میکرورینگی نوری (Micro-Ring Resonators) بر بستر فرآیندهای استاندارد تولید نیمه‌رسانای CMOS است. برخلاف مدولاتورهای ماخ-زندر (MZM) قدیمی که ابعادی چند میلی‌متری داشتند، حلقه‌های میکرورینگی با قطری کمتر از ۱۰ میکرون می‌توانند با تغییر جزئی ضریب شکست نوری، نور را با سرعت‌های سرسام‌آور مدوله نمایند.
با بهره‌گیری از مالتی‌پلکس تقسیم طول موج متراکم (DWDM)، تا ۶۴ طول موج نوری مختلف از یک لیزر خارجی پیوسته (External Laser Source - ELS) به صورت همزمان به یک تار فیبر نوری منفرد تزریق می‌شود. هر طول موج حامل یک کانال دیتای ۵۰ گیگابیت بر ثانیه‌ای است و پهنای باند کل هر درگاه فیبر را به ۳.۲ ترابیت بر ثانیه می‌رساند.
همان‌طور که در بررسی تخصصی پردازنده‌های نورومورفیک و شبکه‌های عصبی ضربه‌ای دیدیم که بازدهی محاسبات به جریان رویدادمحور وابسته است، در ارتباطات فوتونیکی نیز نور بدون کوچک‌ترین مقاومت اهمی یا گرمایش ژول در طول کابل‌های شفاف شیشه‌ای با سرعت نور حرکت می‌کند.
جهش ۱۰ برابری راندمان انرژی و کاهش تاخیر ارتباطی میان‌رکی به زیر نانوثانیه
پیاده‌سازی گسترده سیستم‌های مبتنی بر CPO امروزه نتایج حیرت‌انگیزی را در مزارع ابری به ثبت رسانده است. در یک کلاستر آزمایشی شامل ۳۲ هزار شتاب‌دهنده گرافیکی، پیاده‌سازی سوییچ‌های ۵۱.۲ ترابیتی مجهز به اپتیک یکپارچه، توان مصرفی بخش شبکه کلاستر را تا ۶۸ درصد تقلیل داده و بازدهی آموزش مدل‌های پیشرو را به دلیل حذف تاخیر پکت‌های داده تا ۲۲ درصد شتاب بخشیده است.
علاوه بر این، اتصالات نوری مصونیت صددرصدی در برابر تداخل امواج الکترومغناطیسی (EMI) دارند؛ پدیده‌ای که در رک‌های سرور متراکم با مصرف برق ۱۰۰ کیلووات، کابوس همیشگی مهندسان شبکه بود و باعث افت خطوط ارتباطی مسی می‌شد.
این درجه از امنیت تبادل داده سخت‌افزاری در هم‌پوشانی با استانداردهایی است که در مقاله شتاب‌دهنده‌های سخت‌افزاری رمزنگاری هم‌ریختی FHE در محاسبات ابری بررسی کردیم و تضمین می‌کند که داده‌های حساس درون مراکز ابری بدون ریسک شنود فیزیکی جابه‌جا شوند.
استانداردسازی صنعتی و تحول زیرساخت‌های ابری تا پایان ۲۰۲۷
کنسرسیوم‌های بزرگ صنعت نیمه‌رسانا شامل انویدیا، تی‌اس‌ام‌سی، اینتل و برودکام با تدوین استانداردهای مشترک برای اینترفیس‌های نوری CPO و ماژول‌های لیزر جداگانه ELSFP، تولید انبوه این تجهیزات را برای دوران کنونی تضمین کرده‌اند. خطوط تولید بسته‌بندی سه‌بعدی تراشه TSMC با نام CoWoS-O اکنون خط تولید اختصاصی برای تجمیع فوتونیک و الکترونیک راه‌اندازی کرده‌اند.
کارشناسان بر این باورند که تا پایان سال ۲۰۲۷، هیچ سرور هوش مصنوعی تراز اولی بدون فناوری نوری یکپارچه به بازار عرضه نخواهد شد و عصر کابل‌های مسی ضخیم و پرحرارت در شبکه‌های پرسرعت به بایگانی تاریخ مهندسی کامپیوتر خواهد پیوست.
تحریریه ماگ بیت بلوغ فناوری فوتونیک سیلیکونی را پیش‌شرط بنیادین برای دستیابی به سامانه‌های هوش مصنوعی مقیاس‌بزرگ فرابشری و کاهش اثرات کربنی مخرب مراکز داده بر اقلیم کره زمین ارزیابی می‌کند.
بیشتر از فناوری
