在當(dāng)今的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)密集型環(huán)境中，隨著組織面臨大量工作負(fù)載和復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理挑戰(zhàn)，對(duì)高性能計(jì)算 (HPC) 的需求持續(xù)激增。高效、高帶寬、低延遲計(jì)算的新方法對(duì)于處理這些需求至關(guān)重要，因?yàn)閭鹘y(tǒng)技術(shù)在數(shù)據(jù)量、速度、能源效率和占用空間方面達(dá)到了極限。

數(shù)據(jù)中心是大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)的中心樞紐。HPC 在這些環(huán)境中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，需要高效和高帶寬的通信來(lái)管理大量涌入的數(shù)據(jù)。利用光而不是電力進(jìn)行計(jì)算的光子技術(shù)正在成為解決擴(kuò)展問(wèn)題并改善數(shù)據(jù)中心 HPC 工作負(fù)載通信的突破性解決方案。

為什么選擇光子學(xué)?

光子學(xué)是一項(xiàng)尖端技術(shù)，它將光的力量與硅的效率相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)低延遲、高速計(jì)算、數(shù)據(jù)互連以及傳輸和通信。它利用了硅基制造工藝的固有優(yōu)勢(shì)，在單個(gè)封裝上將光子組件與電子電路無(wú)縫集成，并超越銅互連，同時(shí)提供卓越的性能。

硅光子系統(tǒng)的關(guān)鍵部件包括光源、調(diào)制器、探測(cè)器和光波導(dǎo)。激光光源產(chǎn)生通過(guò)波導(dǎo)引導(dǎo)的光子，調(diào)制器控制引導(dǎo)光的特性，允許將數(shù)據(jù)編碼到光信號(hào)上。光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換回由電子電路處理的電信號(hào)。

這些波導(dǎo)是使用成熟的半導(dǎo)體制造技術(shù)在硅襯底上制造的。通過(guò)調(diào)制波導(dǎo)的特性，例如其尺寸或折射率，可以操縱光來(lái)執(zhí)行數(shù)據(jù)計(jì)算和傳輸。

在 HPC 工作負(fù)載應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)硅光子學(xué)

HPC 工作負(fù)載可解決復(fù)雜的數(shù)學(xué)任務(wù)，其特點(diǎn)是巨大的計(jì)算要求和處理元素之間無(wú)縫數(shù)據(jù)交換的需求。傳統(tǒng)的銅基互連正受到帶寬限制、延遲增加、電源效率低下和可擴(kuò)展性有限的阻礙，難以跟上步伐。這些問(wèn)題出現(xiàn)在計(jì)算內(nèi)核和內(nèi)存之間的芯片接口、用于計(jì)算任務(wù)的芯片到芯片接口以及用于高速、低延遲網(wǎng)絡(luò)的機(jī)架到機(jī)架接口上，為基于光的解決方案作為可行的選擇鋪平了道路。

速度對(duì)于 HPC 工作負(fù)載至關(guān)重要。硅光子學(xué)可實(shí)現(xiàn)前所未有的數(shù)據(jù)傳輸速度，非常適合數(shù)據(jù)中心，為處理需要更快數(shù)據(jù)傳輸速度、更高能效和更低延遲的 HPC 工作負(fù)載帶來(lái)好處。通過(guò)利用基于光的傳輸，硅光子學(xué)超越了傳統(tǒng)銅基互連的局限性，顯著降低了延遲并實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。

HPC 工作負(fù)載也因其高功耗而臭名昭著，導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)成本增加和環(huán)境影響。在這方面，基于光的計(jì)算再次帶來(lái)了一個(gè)優(yōu)勢(shì)：由于光子傳輸數(shù)據(jù)所需的功率比電子少，因此光子解決方案通過(guò)最大限度地減少碳足跡來(lái)降低成本并提高可持續(xù)性。

HPC 工作負(fù)載嚴(yán)重依賴(lài)準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)傳輸。硅光子學(xué)通過(guò)最大限度地減少信號(hào)衰減和電磁干擾來(lái)增強(qiáng)信號(hào)完整性。使用基于光的傳輸可確保整個(gè)通信過(guò)程中的數(shù)據(jù)完整性，從而為 HPC 計(jì)算提供精確可靠的結(jié)果。

光子學(xué)加速 HPC 工作負(fù)載的潛在用例包括機(jī)架到機(jī)架互連、內(nèi)存和存儲(chǔ)加速以及芯片內(nèi)通信：

機(jī)架到機(jī)架互連：HPC 系統(tǒng)通常由數(shù)據(jù)中心內(nèi)互連的多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)組成。硅光子學(xué)可用于在這些節(jié)點(diǎn)之間創(chuàng)建高速和節(jié)能的互連。與電氣互連相比，光鏈路可以在更長(zhǎng)的距離上高速傳輸大量數(shù)據(jù)，延遲最小，功耗更低。這樣可以在計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)更快的通信和數(shù)據(jù)傳輸，從而促進(jìn) HPC 集群中的高效并行計(jì)算。

內(nèi)存和存儲(chǔ)加速：HPC 工作負(fù)載通常涉及密集的數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)和存儲(chǔ)操作。硅光子學(xué)可用于增強(qiáng)HPC系統(tǒng)中的內(nèi)存和存儲(chǔ)性能。通過(guò)利用標(biāo)準(zhǔn)互連協(xié)議(如光纖上的計(jì)算高速鏈路 (CXL)，可以顯著加快處理器和內(nèi)存/存儲(chǔ)子系統(tǒng)之間的通信，從而減少延遲并提高整體系統(tǒng)吞吐量。這對(duì)于大規(guī)模模擬、大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用特別有利，在這些應(yīng)用中，快速數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)和處理至關(guān)重要。

芯片內(nèi)通信：在單個(gè)芯片內(nèi)，基于光子學(xué)的片上光網(wǎng)絡(luò)可用于增強(qiáng)組件之間的通信，例如處理器、內(nèi)存緩存、加速器和小芯片。通過(guò)將光子學(xué)集成到芯片設(shè)計(jì)中，可以使用波導(dǎo)創(chuàng)建高速和低延遲通信路徑，從而減少數(shù)據(jù)傳輸瓶頸并實(shí)現(xiàn)不同功能單元之間的高效數(shù)據(jù)移動(dòng)。這可以提高整體芯片性能，特別是對(duì)于需要高級(jí)別并行性和數(shù)據(jù)共享的復(fù)雜 HPC 工作負(fù)載。

總體而言，數(shù)據(jù)中心的光子學(xué)通過(guò)提供高帶寬、低延遲和高能效的互連解決方案，在 HPC 工作負(fù)載方面具有巨大潛力。它支持更快的數(shù)據(jù)傳輸、改進(jìn)計(jì)算節(jié)點(diǎn)和集群之間的通信、加速內(nèi)存和存儲(chǔ)訪(fǎng)問(wèn)以及增強(qiáng)的片內(nèi)連接。這些進(jìn)步有助于更高效、更可擴(kuò)展的 HPC 系統(tǒng)，使用戶(hù)能夠以更高的速度和準(zhǔn)確性處理復(fù)雜的計(jì)算問(wèn)題。

創(chuàng)建光子學(xué)生態(tài)系統(tǒng)以促進(jìn)采用

為了實(shí)現(xiàn)硅光子學(xué)的全部潛力，培養(yǎng)協(xié)作生態(tài)系統(tǒng)非常重要。工業(yè)、學(xué)術(shù)界和研究機(jī)構(gòu)之間的合作對(duì)于推動(dòng)創(chuàng)新、加速光子學(xué)解決方案的開(kāi)發(fā)以及在制造技術(shù)、組件集成和系統(tǒng)優(yōu)化方面實(shí)現(xiàn)突破至關(guān)重要。

行業(yè)主導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)化工作也促進(jìn)了協(xié)作，同樣至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兇_保了不同光子組件和系統(tǒng)之間的互操作性和兼容性。建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成，促進(jìn)市場(chǎng)繁榮和廣泛采用。

采用這種創(chuàng)新技術(shù)需要一種協(xié)作方法來(lái)調(diào)整實(shí)施以解決特定的 HPC 工作負(fù)載。新興的光子計(jì)算初創(chuàng)公司生態(tài)系統(tǒng)為采用這項(xiàng)技術(shù)并參與影響其路線(xiàn)圖創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。為了充分利用光子學(xué)在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中的潛力，HPC運(yùn)營(yíng)商必須有效地引導(dǎo)采用之路以獲得好處。

政策制定者需要合作創(chuàng)造一個(gè)有利的環(huán)境，培育創(chuàng)新，保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，解決潛在的監(jiān)管障礙。支持性法規(guī)可以激勵(lì)數(shù)據(jù)中心采用光子技術(shù)，并加速其對(duì) HPC 工作負(fù)載的采用。合作努力、研發(fā)投資、標(biāo)準(zhǔn)化和監(jiān)管支持將為硅光子學(xué)技術(shù)的廣泛采用鋪平道路。通過(guò)利用硅光子學(xué)的優(yōu)勢(shì)，數(shù)據(jù)中心可以加速 HPC 工作負(fù)載，推動(dòng)各個(gè)領(lǐng)域的創(chuàng)新并推動(dòng)增長(zhǎng)。