中國信通院劉璐研究團(tuán)隊(duì)：片間光互連發(fā)展態(tài)勢分析

  片間光互連發(fā)展態(tài)勢分析

  隨著各行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)進(jìn)度加快，大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等新技術(shù)的迅速普及應(yīng)用，尤其是近兩年來，人工智能大模型熱潮興起，算力需求大增，電子信息技術(shù)面臨帶寬和能耗挑戰(zhàn)，光互連成為重要發(fā)展方向。本文聚焦片間光互連，針對數(shù)據(jù)中心和計(jì)算中心兩大應(yīng)用場景，梳理技術(shù)動(dòng)態(tài)，分析產(chǎn)業(yè)生態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展，并研判發(fā)展趨勢。

  數(shù)據(jù)中心場景中的片間光互連技術(shù)發(fā)展態(tài)勢

  1、光電合封(Co-Packaged Optics, CPO)技術(shù)助力數(shù)據(jù)中心升級(jí)

  · 傳統(tǒng)可插拔光模塊面臨端口密度和能耗挑戰(zhàn)，CPO 技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。CPO 將交換芯片與光芯片封裝，可降低功耗、提高集成度等。

  · 硅光集成方案成為主流，如英特爾發(fā)布的 CPO 進(jìn)展可實(shí)現(xiàn)特定信號(hào)傳輸且功耗低。

  · 集成光子技術(shù)方案中的光源集成一直是核心技術(shù)挑戰(zhàn)之一，外置光源成為趨勢，可降低光收發(fā)單元熱量和功耗。

  1、產(chǎn)業(yè)發(fā)展與標(biāo)準(zhǔn)建立

  · 近 3 年 CPO 樣機(jī)相繼發(fā)布，多數(shù)廠商在美國，國內(nèi)略有滯后。

  · CPO 遠(yuǎn)期市場景氣，產(chǎn)業(yè)鏈初步形成，預(yù)計(jì)不會(huì)形成壟斷生態(tài)，大量商用可能在未來 3 - 5 年。

  · 大型國際標(biāo)準(zhǔn)組織作出部署，CPO 標(biāo)準(zhǔn)體系初步建立，下一步重點(diǎn)可能是測試規(guī)范。

圖1 CPO結(jié)構(gòu)

  計(jì)算中心場景中的片間光互連技術(shù)發(fā)展態(tài)勢

  1、光輸入輸出(Optical Input Output，OIO)技術(shù)成為重要路徑

  · 傳統(tǒng)方式無法滿足高性能計(jì)算互連需求，OIO 技術(shù)面向分布式計(jì)算系統(tǒng)，可提升性能。根據(jù)Lockheed Martin公司數(shù)據(jù)，相比于傳統(tǒng)商業(yè)解決方案，OIO可將數(shù)據(jù)傳輸帶寬提升7倍，功耗降低為1/5，尺寸降低為1/12，大幅提升互連性能，滿足高性能計(jì)算場景需求，同時(shí)也為資源池化提供了性能保證。

  · 芯粒為片間互連提供可行的產(chǎn)品形態(tài)，OIO 需結(jié)合芯粒與硅光技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高效互連。

  2、產(chǎn)業(yè)與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

  · 計(jì)算領(lǐng)域巨頭布局，OIO 相關(guān)產(chǎn)品初具雛形。

  · OIO 遠(yuǎn)期市場景氣，產(chǎn)業(yè)鏈初步形成，商業(yè)生態(tài)完全爆發(fā)可能在 5 年以后。

  · OIO 標(biāo)準(zhǔn)研制尚處初期，相關(guān)協(xié)議對物理層和軟件層的標(biāo)準(zhǔn)化將助力其發(fā)展。

  · OIO 比 CPO 性能要求更高，產(chǎn)業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)度更滯后。

  總結(jié)

  本文通過對數(shù)據(jù)中心和計(jì)算中心場景下片間光互連技術(shù)的研究，展示了 CPO 和 OIO 技術(shù)的發(fā)展情況，包括技術(shù)優(yōu)勢、產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和標(biāo)準(zhǔn)建立等方面。強(qiáng)調(diào)了片間光互連雖有進(jìn)展，但面臨挑戰(zhàn)，需技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同發(fā)展，以滿足高帶寬、低延遲和高能效的要求，推動(dòng)其在多領(lǐng)域的應(yīng)用。