راهنمای فوتونیک سیلیکونی و CPO

برخورد سیم‌های مسی به دیوار فیزیکی؛ چرا اتصالات سنتی الکتریکی دیگر پاسخگوی هوش مصنوعی نیستند؟

با انفجار اندازه مدل‌های هوش مصنوعی مرزی و نیاز به پیوند دادن ده‌ها هزار پردازنده گرافیکی در خوشه‌های محاسباتی یکپارچه، مهندسان با یک سد فیزیکی غیرقابل‌عبور روبرو شدند: اثر پوستی (Skin Effect) و تلفات دی‌الکتریک در مس. در نرخ‌های انتقال داده فراتر از ۱۱۲ و ۲۲۴ گیگابیت بر ثانیه بر روی هر خط، سیگنال الکتریکی در مس پس از پیمودن مسافتی چند سانتی‌متری دچار میرایی وحشتناک شده و به گرما تبدیل می‌شود.

تلاش برای تقویت این سیگنال‌ها با تراشه‌های ریتایمر (Retimer) و مدارهای سنگین اکولایزر SerDes باعث شد تا بیش از ۳۵ درصد از کل برق مصرفی کلاستر هوش مصنوعی صرفاً برای جابجایی بیت‌ها میان تراشه‌ها هدر برود! همان‌طور که در بررسی معماری حافظه‌های اشتراکی CXL و PCIe 6.0 تحلیل کردیم، شکستن دیوار حافظه بدون بازتعریف اتصالات فیزیکی ناممکن می‌نمود.

صنعت نیمه‌هادی امروزه به این نتیجه قطعی رسید که دوران حرکت الکترون‌ها روی بورد‌های چاپی (PCB) به پایان رسیده و زمان سوئیچ تاریخی به فوتون‌های نور فرارسیده است.

معماری Co-Packaged Optics (CPO)؛ همنشینی مستقیم لیزر و سیلیکون روی سابستریت واحد

رویکرد اولیه استفاده از ماژول‌های نوری پلاگینبل (Pluggable Optical Transceivers) در پنل جلویی سرورها بود؛ راهکاری که همچنان مستلزم پیمودن فاصله‌ای در حدود ۳۰ تا ۵۰ سانتی‌متر با ردهای مسی از پردازنده تا لبه شاسی بود و تلفات توان را به همراه داشت.

معماری CPO دوران معاصر با قرار دادن مستقیم چیپلت‌های اپتیکی فوتونیک در فاصله چند میلی‌متری از سیلیکون محاسباتی (Compute Die) روی یک اینترپوزر سه‌بعدی پیشرفته، این مسیر را عملاً حذف کرد. تراشه انویدیا، ای‌ام‌دی یا سفارشی کلاد با پل‌های نوری سیلیکونی TSMC COUPE مستقیماً پرتوهای لیزر را برای انتقال داده دریافت و مدوله می‌کنند. این مهندسی یکپارچه‌سازی، قرابتی عمیق با رویکردهای نوین تراشه‌های رایانش کوانتومی تجاری دارد که کنترل اتمی مسیرهای داده را هدف قرار داده‌اند.

با این ادغام معجزه‌آسا، طول خطوط الکتریکی به کمتر از ۱۰ میلی‌متر کاهش یافته و انرژی مصرفی انتقال داده از ۲۰ پیکوژول بر بیت به کمتر از ۳ پیکوژول تنزل پیدا کرده است؛ رقمی که کاهش سرسام‌آور قبض برق دیتاسنترها را رقم می‌زند.

شکستن رکورد پهنای باند؛ ۶.۴ ترابیت بر ثانیه بر روی یک چیپلت بندانگشتی

تلفیق مدولاتورهای ماخ-زندن (MZM) نانومتری مبتنی بر نایوبات لیتیوم فیلم‌نازک (TFLN) و مالتی‌پلکس تقسیم طول موج متراکم (DWDM) امکان گسیل همزمان ۳۲ تا ۶۴ طول موج نوری مختلف بر روی یک تار فیبر نوری میکرومتری را مهیا ساخته است.

هر پورت اتصالی CPO در سیستم‌های اواخر قادر است پهنای باندی بالغ بر ۳.۲ تا ۶.۴ ترابیت بر ثانیه را به صورت دوطرفه انتقال دهد؛ سرعتی معادل انتقال ده‌ها فیلم با کیفیت 8K در کسری از یک چشم‌برهم‌زدن. این حجم عظیم تبادل داده مکمل بی‌نقصی برای سیستم‌های نوآورانه در کاهش ردپای محاسباتی مدل‌های ۱.۵۸ بیتی است که نیاز به سنکرون‌سازی سریع وزن‌های شبکه دارند.

علاوه بر این، تاخیر زمانی (Latency) از چند صد نانوثانیه در ترنسیورهای مسی سنتی به تاخیر فیزیکی گذر نور که در مقیاس پیکوثانیه‌ای است تنزل یافته که از تشکیل صف‌های مسدودکننده در الگوریتم‌های AllReduce جلوگیری می‌نماید.

تحول در مقیاس‌پذیری خوشه‌های هوش مصنوعی و پیوند خوشه‌های چند کیلومتری

یکی دیگر از معجزات فوتونیک سیلیکونی، حذف محدودیت فاصله است. سیگنال‌های مسی فراتر از ۲ یا ۳ متر کاربردی نداشتند، اما پرتوهای نوری مدوله‌شده می‌توانند تا فاصله‌های چند ده و حتی صدها متر بدون کوچک‌ترین افت کیفیت پیش بروند. این بدان معناست که دیگر نیازی نیست هزاران سرور در یک رک پرحرارت و خفه فشرده شوند.

مهندسان دیتاسنتر اکنون می‌توانند خوشه‌های غول‌آسا را به صورت ماژولار در سراسر سالن‌های عظیم مستقر ساخته و حتی کلاسترهای دو دیتاسنتر مجاور را از طریق فیبرهای نوری فوق‌پایین‌افت به یک پردازنده واحد عظیم مجازی بدل سازند. هم‌افزایی این زیرساخت اپتیکی با سیستم‌های نوین انرژی نظیر راکتورهای کوچک ماژولار SMR، پایه‌های انرژی پایدار برای نسل بعدی مغزهای ابری را مستحکم نموده است.

کاهش تولید حرارت ناشی از حذف صدها هزار آمپلی‌فایر مسی، فشار بر سیستم‌های خنک‌کننده را به شدت کاسته و پایداری کلاسترها را در طول ماه‌ها آموزش بدون کرش تضمین کرده است.

آینده پردازش تمام‌نوری؛ از انتقال داده با فوتون تا محاسبات ریاضی مبتنی بر نور

ورود CPO به صنعت نیمه‌هادی تنها گام نخست یک انقلاب بسیار گسترده‌تر است. گام بعدی که از هم‌اکنون نمونه‌های اولیه آن آزمایشگاه‌ها را به لرزه درآورده، «رایانش تمام‌نوری» (All-Optical Computing) است؛ جایی که ضرب ماتریس‌ها و توابع فعال‌سازی هوش مصنوعی نه با ترانزیستورهای گیت سیلیکونی، بلکه با تداخل امواج نوری در بلورهای فوتونی با سرعت نور انجام می‌پذیرد.

فوتونیک سیلیکونی امروزه نشان داد که مرزهای قانون مور هرگز به پایان نرسیده، بلکه از اسارت بارهای الکترواستاتیک رهایی یافته و در قلمرو طیف‌های نوری بازآفرینی شده است. این گذار پارادایمی، تضمین‌کننده تداوم شتاب کوانتومی فناوری اطلاعات برای دهه‌های آینده خواهد بود.