سیلیکون فوتونیک و بسته‌بندی اپتیکی مجتمع CPO
خداحافظی با محدودیت‌های فیزیکی سیم‌های مسی؛ چگونه فوتون‌های نور جایگزین الکترون‌ها در قلب کلاسترهای پردازش هوش مصنوعی و سوپرکامپیوترهای اگزااسکیل شدند.
- بررسی علمی و فنی تحول شگرف اینترکانکت‌های داده در مراکز ابرمحاسباتی و خوشه‌های آموزش هوش مصنوعی امروزه تحلیل ادغام مدارهای نوری فوتونیک بر بستر سیلیکون و استانداردهای اپتیک هم‌بسته‌بندی‌شده (Co-Packaged Optics / CPO)، کالبدشکافی فیزیک لیزرهای ریزکاواک DFB و موج‌برهای دی‌الکتریک، حذف گلوگاه پهنای باند مس در نرخ‌های انتقال ۳.۲ ترابیت بر ثانیه، و کاهش ۴۰ درصدی تلفات حرارتی در کلاسترهای غول‌پیکر متشکل از ده‌ها هزار پردازنده گرافیکی.
- بررسی جامع ابعاد فنی و کاربردی توسط تحریریه ماگ بیت.
- پیش‌بینی اثرات کوتاه‌مدت و بلندمدت بر اکوسیستم فناوری.
چرایی مرگ مس در سرعت‌های فراتر از ترابیت؛ اتلاف حرارتی شدید و پدیده اثر پوستی
برای بیش از نیم قرن، کابل‌ها و مسیرهای چاپی مسی (Copper Traces) ستون فقرات اتصال پردازنده‌ها و مادربوردها را تشکیل می‌دادند. اما با ورود جهان به عصر کلاسترهای آموزش مدل‌های تریلیون پارامتری و شبکه‌های با پهنای باند ۳.۲ و ۶.۴ ترابیت بر ثانیه در اواخر، فیزیک کلاسیک مس به دیوار تسلیم برخورد کرده است. هنگامی که فرکانس سیگنال‌های الکتریکی به بیش از ۵۰ گیگاهرتز می‌رسد، پدیده‌ای به نام اثر پوستی (Skin Effect) رخ می‌دهد که در آن الکترون‌ها تنها از لایه بسیار نازک سطحی رسانا عبور می‌کنند.
نتیجه این پدیده، جهش تصاعدی مقاومت الکتریکی، اتلاف وحشتناک سیگنال و تولید گرمای سوزان است. در کلاسترهای هوش مصنوعی مجهز به ده‌ها هزار شتاب‌دهنده، انتقال داده‌های بین سروری از طریق کابل‌های مسی DAC به مصرف صدها کیلووات برق صرفاً برای جبران افت توان سیگنال (SerDes Power Dissipation) منجر می‌شد. این تنگنای سخت‌افزاری، کلاسترهای عظیم را تا مرز خفگی انتقال داده پیش برده بود.
نیاز مبرم به رهایی از مقاومت الکتریکی، دانشمندان فیزیک و مهندسان نیمه‌هادی را ناگزیر ساخت تا به سراغ نور بروند؛ عنصری بی‌جرم با فرکانس تراتراهرتزی و اتلاف حرارتی نزدیک به صفر که پیش‌تر در کشف مواد جدید با هوش مصنوعی و ابررساناها پایه‌های کوانتومی آن مورد توجه قرار گرفته بود.
کالبدشکافی Co-Packaged Optics؛ قرار دادن موتورهای لیزری در مجاورت بلافصل Die محاسباتی
فناوری اپتیکال قبلی به ترانسیورهای جداگانه‌ای متکی بود که در پنل جلویی سرورها قرار می‌گرفتند و سیگنال برقی از پردازنده تا لبه رک باید از مسیرهای مسی طولانی عبور می‌کرد. تحول بزرگ دوران معاصر در فناوری اپتیک هم‌بسته‌بندی‌شده (Co-Packaged Optics یا CPO) متجلی شده است. در این معماری، ماژول‌های فوتونیک نوری مستقیماً در کنار پردازنده محاسباتی (GPU یا TPU) بر روی یک ساب‌استریت سیلیکونی مشترک (Silicon Interposer) جاسازی می‌شوند.
فاصله انتقال الکتریکی از چند ده سانتی‌متر مس به کمتر از چند میلی‌متر میکرومتری کاهش یافته است. به محض خروج داده از هسته‌های محاسباتی، مدولاتورهای الکترواپتیکی ماژول CPO ولتاژ برقی را به پالس‌های نوری لیزری تبدیل کرده و اطلاعات را از طریق فیبرهای نوری باریک شیشه‌ای مستقیماً به خارج از چیپ هدایت می‌کنند. این رویکرد انقلابی، تاخیر تبادل داده را به کسری از نانوثانیه رسانده و پهنای باند سرتاسری چیپ به چیپ را تا ۸ برابر تقویت کرده است.
این راندمان خارق‌العاده، دقیقاً همان زیرساختی است که ابرکامپیوترهای تراز اول کنونی نظیر آنچه در کالبدشکافی ابررایانه‌های اگزااسکیل ال کاپیتان و ژوپیتر شرح دادیم، برای اجرای شبیه‌سازی‌های پیوسته اقلیمی و همجوشی بدون گلوگاه ارتباطی به آن تکیه می‌کنند.
موج‌برهای نوری درون تراشه و سوئیچ‌های فوتونیک؛ مسیریابی بدون تبدیل مکرر الکتریکی-نوری
شگفتی دیگر در قلمرو فیزیک سیلیکون فوتونیک، ساخت موج‌برهای نوری نانومتری از جنس نیترید سیلیکون (SiN) و سیلیکون خالص بر روی ویفرهای استاندارد CMOS است. نور لیزر با زاویه بازتابش کلی درون این کانال‌های میکروسکوپی حبس شده و با سرعتی نزدیک به ۳۰۰ هزار کیلومتر در ثانیه در سراسر بورد جریان می‌یابد. دیگر نیازی به سیم‌کشی‌های چندلایه فلزی متراکم نیست و تداخل الکترومغناطیسی (EMI) به طور کامل صفر می‌شود.
علاوه بر این، معرفی سوئیچ‌های فوتونیک تمام‌نوری (All-Optical Packet Switches) در اواخر، گلوگاه تبدیل مداوم اپتیکال به الکتریکی (O-E-O Conversion) را در هاب‌های شبکه برچیده است. سیگنال نوری حاوی داده‌های آموزشی هوش مصنوعی با کمک تداخل‌سنج‌های ماخ-زندر (Mach-Zehnder Interferometers) بدون آنکه حتی برای یک نانوثانیه به جریان برق تبدیل شود، در میان هزاران سرور جابه‌جا و هدایت می‌گردد.
این سطح از یکپارچگی اپتیکال، بستری بی‌نقص برای ادغام پردازنده‌های کلاسیک با پردازشگرهای آینده‌نگرانه پدید آورده و پیوند عمیقی میان سیلیکون فوتونیک و تراشه‌های پردازش کوانتومی تجاری برقرار ساخته است.
دگرگونی کلاسترهای عظیم هوش مصنوعی؛ کاهش ۴۰ درصدی مصرف برق و هزینه‌های خنک‌سازی
پیاده‌سازی گسترده فناوری CPO در مراکز داده نسل نوین دوران معاصر نتایج شگفت‌انگیزی در بهره‌وری اکولوژیکی و اقتصادی بر جای گذاشته است. با حذف مدارهای درایور مسی پرمصرف و جایگزینی آنها با فرستنده‌های لیزری ریزکاواک DFB، مصرف برق بخش شبکه و اینترکانکت در دیتاسنترهای هوش مصنوعی تا ۴۲ درصد کاهش یافته است. این صرفه‌جویی عظیم به معنای صدها مگاوات انرژی آزادشده برای افزایش ظرفیت خود پردازنده‌هاست.
همچنین بار حرارتی رک‌های محاسباتی به میزان چشمگیری فروکش کرده است. دیتاسنترها دیگر نیازی به سیستم‌های خنک‌کننده مایع فوق‌پرهزینه در لایه‌های سوئیچینگ ندارند و ریسک خرابی ناشی از داغ شدن کانکتورها عملاً محو شده است. زمان همگام‌سازی وزن‌های مدل‌های هوش مصنوعی (All-Reduce Collective Communications) در آموزش‌های توزیع‌شده به یک‌سوم زمان گذشته کاهش یافته است.
در یک کلام، سیلیکون فوتونیک در اواخر ثابت کرد که عصر انحصار الکترون‌ها در مدارات مجتمع به پایان رسیده است؛ اکنون فوتون‌های نور هستند که مشعل پیشرفت هوش و آگاهی ماشینی را در شاهراه‌های شیشه‌ای به پیش می‌برند.
بیشتر از علم و فضا
