Wird die Optik Kupferverbindungen ersetzen? Wir haben Ayar Labs • The Register gefragt

Science-Fiction ist übersät mit fantastischen Computervisionen. Eine der weit verbreiteteren ist die Vorstellung, dass Computer eines Tages mit Licht laufen werden. Denn was ist schneller als die Lichtgeschwindigkeit?

Aber es stellt sich heraus, dass die leuchtenden Leiterplatten von Star Trek der Realität näher sein könnten, als Sie denken, sagt Mark Wade, CTO von Ayar Labs, gegenüber The Register. Obwohl es Glasfaserkommunikation schon seit einem halben Jahrhundert gibt, haben wir erst vor kurzem damit begonnen, die Technologie auf Platinenebene anzuwenden. Trotzdem geht Wade davon aus, dass optische Wellenleiter innerhalb des nächsten Jahrzehnts beginnen werden, die Kupferleiterbahnen auf Leiterplatten zu ersetzen, da die Lieferungen optischer I/O-Produkte zunehmen.

Treiber dieses Übergangs sind eine Reihe von Faktoren und neue Technologien, die immer höhere Bandbreiten über größere Entfernungen ohne Einbußen bei Latenz oder Leistung erfordern.

Wenn Ihnen das bekannt vorkommt, handelt es sich um dieselben Herausforderungen, die Telekommunikationsgiganten wie Bell in den 1970er Jahren dazu veranlassten, Tausende Kilometer Kupfertelefonkabel durch Glasfaserkabel zu ersetzen.

Generell gilt: Je höher die Bandbreite, desto kürzer ist die Distanz, die ohne die Unterstützung von Verstärkern oder Repeatern zurückgelegt werden kann, um die Reichweite auf Kosten der Latenz zu vergrößern. Und das gilt nicht nur für Telekommunikationsnetze.

Für Verbindungstechnologien wie PCIe gelten die gleichen Gesetze der Physik. Da sich die effektive Bandbreite mit jeder weiteren Generation verdoppelt, verringert sich die physische Entfernung, die das Signal zurücklegen kann.

„In vielen Fällen werden große Entfernungen mittlerweile als mehr als ein paar Meter definiert“, sagte Wade. „Da die PCIe-Bandbreiten immer höher werden, kann man der Serverplatine nicht mehr entkommen, ohne einen Retimer auf der Platine anzubringen“, um das Signal zu verstärken.

„Selbst wenn man die Bandbreite von Punkt A nach Punkt B bringen kann, stellt sich die Frage, wie viel Leistung und wie viel Latenz“, fügt er hinzu.

Genau dieses Problem versucht Ayar Labs zu lösen. Das Silizium-Photonik-Startup hat ein Chiplet entwickelt, das elektrische Signale von Chips aufnimmt und sie in ein optisches Signal mit hoher Bandbreite umwandelt.

Und da die Technologie eine Chiplet-Architektur verwendet, soll sie zusammen mit Rechenkacheln anderer Chiphersteller verpackt werden, die offene Standards wie den derzeit in der Entwicklung befindlichen Universal Chiplet Interconnect Express (UCI-express) verwenden.

Die zugrunde liegende Technologie hat dem Unternehmen geholfen, fast 200 Millionen US-Dollar von Technologiegiganten wie Intel und Nvidia einzusammeln und mehrere hochkarätige Partnerschaften zu sichern, darunter eine, um optische I/O-Funktionen in die leistungsstarke Slingshot-Verbindungsstruktur von Hewlett Packard Enterprise zu integrieren.

Während Wade fest davon überzeugt ist, dass optische Kommunikation auf Systemebene unvermeidlich ist, stellt er fest, dass es in naher Zukunft mehrere Anwendungen für optische Verbindungen gibt. Dazu gehören Hochleistungsrechnen und zusammensetzbare Infrastruktur.

„Wir gehen davon aus, dass das elektrische I/O-Problem so schwerwiegend werden wird, dass Computeranwendungen durch ihre Fähigkeit, Bandbreite zu verschieben, gedrosselt werden“, sagte er. „Für uns ist das die Skalierung von KI und maschinellem Lernen.“

Diese HPC-Umgebungen erfordern häufig spezielle Verbindungstechnologien, um Engpässe zu vermeiden. Nvidias NVLink ist ein Beispiel. Es ermöglicht eine Hochgeschwindigkeitskommunikation zwischen bis zu vier GPUs.

Ein weiterer Bereich mit Möglichkeiten für optische I/O ist laut Wade die Art von zusammensetzbarer Infrastruktur auf Rack-Ebene, die in den neuesten Spezifikationen von Compute Express Link (CXL) versprochen wird.

CXL definiert eine gemeinsame, Cache-kohärente Schnittstelle auf Basis von PCIe zur Verbindung von CPUs, Speicher, Beschleunigern und anderen Peripheriegeräten

Die CXL 1.0- und CXL 2.0-Spezifikationen versprechen, eine Vielzahl von Speicherpooling- und Tiered-Memory-Funktionen freizuschalten. Die dritte Iteration des offenen Standards, deren Ratifizierung noch in diesem Jahr erwartet wird, wird diese Fähigkeiten jedoch über die Rack-Ebene hinaus erweitern.

Wade sagt, dass die Vorteile der Optik in diesem Stadium der CXL-Entwicklung voll zur Geltung kommen werden.

„Selbst auf der CXL 2.0-Ebene ist die Skalierung nur sehr begrenzt möglich, denn in dem Moment, in dem man auf etwas wie einen Retimer drückt, kommt es zu Latenzen“, die ein Speicher-Pooling unpraktisch machen, sagte er.

Allerdings geht Wade davon aus, dass zumindest bei der ersten Generation der CXL-Produkte die meisten, wenn nicht alle, elektrisch sein werden. „Es muss eine Menge Software-Stack-Arbeit geleistet werden, um diese Art von disaggregierten Systemen wirklich zu ermöglichen“, bevor CXL für optische I/O bereit sein wird, sagte er.

Da die Anwendungen für optische I/O jedoch immer häufiger eingesetzt werden, prognostiziert Wade, dass die Wirtschaftlichkeit der Lieferkette die Technologie aus Kostensicht noch attraktiver machen wird. „Wir sind davon überzeugt, dass sich in fast allen Märkten, die Computersysteme bauen, eine optische I/O-Transformation durchsetzen wird.“

Natürlich wird der Weg dorthin nicht ohne Herausforderungen sein, und eine der größten besteht darin, die Kunden davon zu überzeugen, dass die Technologie nicht nur leistungsfähiger und wirtschaftlicher ist, sondern auch ausgereift genug für Produktionsumgebungen.

Aus diesem Grund konzentriert sich Ayar Labs insbesondere auf optische Verbindungen und nicht auf gemeinsam verpackte Optiken. Einer der Gründe dafür, dass sich Co-Packed-Optiken nicht durchgesetzt haben, ist, dass ihr Spritzradius im Fehlerfall deutlich größer ist. Wenn die Optik eines mitverpackten optischen Schalters ausfällt, fällt die gesamte Appliance aus. Und viele dieser Bedenken gelten auch für optische I/O.

„Wenn es einen stark standardisierten, risikoaversen Anwendungsbereich gibt, ist das kein Ort, an dem man versuchen sollte, eine neue Technologie einzusetzen“, sagte Wade. Allerdings: „Wenn Sie eine hochwertige Anwendung haben, die stark von einer Steigerung der Hardwareleistung profitiert, gehen Sie natürlich ein höheres Risiko ein.“

Durch die Konzentration auf HPC-Umgebungen ist Ayar davon überzeugt, dass das Unternehmen seine Designs verfeinern und eine Lieferkette für Komponenten aufbauen kann, während es gleichzeitig die beträchtlichen Betriebsstunden vor Ort anhäufen kann, die für den Verkauf an mehr Mainstream-Märkte erforderlich sind.

Für Kunden, die bereit und willens sind, das Risiko des Einsatzes neuer Technologien einzugehen, ist optisches I/O bereits verfügbar.

„Der Kunde, den wir gerade beliefern, hat seine Board-Level-Links bereits durch unsere optischen I/Os ersetzt“, sagte Wade. „Jede Socket-to-Socket-Verbindung ist eine optische I/O-Verbindung, und das sogar auf Platinenebene.“

Mit fortschreitender Technologie stellt sich dann die Frage, ob die optischen Wellenleiter jemals in die Leiterplatte integriert werden – à la Star Trek.

„Werden wir sehen, dass die optischen Wellenleiter in die Platinen integriert werden? Ich denke, dass einige davon tatsächlich innerhalb des nächsten Jahrzehnts auftauchen werden“, sagte er. „Da das Volumen optischer I/O-Lösungen immer größer wird, wird es für einige dieser Lösungen attraktiver.“

Sobald man beginnt, über die Platinenebene hinaus zu schrumpfen, wird die Zukunft der optischen I/O etwas düsterer. Der nächste logische Schritt, sagt Wade, wäre die Verwendung von Optiken, um die einzelnen Dies, aus denen der Chip besteht, zu verbinden.

Allerdings rechnet er nicht damit, dass dies in absehbarer Zeit geschehen wird. „Wenn man in die Millimeterskala vordringt, hat die elektrische I/O meiner Meinung nach eine gesunde Roadmap vor sich“, sagte er. „Über 10 bis 15 Jahre hinaus könnten wir erleben, dass die optische Kommunikation in den Millimeterbereich vordringt.“ ®

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