Hot Chips 2024 | Intel的光计算互连（Optical Compute Interconnect，OCI）

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引言
2 c2 u1 L* j) x* O1 c9 O在计算和数据通信技术不断发展的今天，对更快、更高效、更高带宽解决方案的需求持续增长。本文旨在帮助读者了解光计算互连（Optical Compute Interconnect，OCI）。OCI是下一代计算架构和数据中心的极具潜力的解决方案。我们将探讨OCI背后的原理、相比传统互连技术的优势，以及该领域的最新发展。

光通信的演进

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2 Y+ O9 J( [( K图1：展示了光通信从电信时代到人工智能时代的演进，突出了向更高密度和更低功耗的转变。
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光通信技术自诞生以来已经走过了漫长的道路。最初为远距离电信而开发，现在已经进入数据中心，最近更是应用到计算架构中。这种演进可以分为三个不同的时代：

电信时代：特点是长距离通信，跨越数百公里，依赖低损耗光纤和分立光学组件。为了在长距离上保持信号完整性，需要大量的数字信号处理（DSP）。

数据通信时代：随着光技术进入数据中心，焦点转向短距离（小于2公里）的低功耗解决方案。这个时代见证了光电子技术的集成，特别是硅基光电子，以及DSP功能的减少。

人工智能时代：当前时代由机架级距离（小于100米）的高密度、低功耗解决方案需求驱动。具有更大规模的光电子集成和先进的封装技术。
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, ?4 S; N: b% S( C2 A光电共封装和光计算互连
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2 ^% v9 R0 Q$ T/ ?6 A# U图2：比较了以太网CPO和光计算互连（OCI）的使用案例，突出了不同的要求和应用。

随着我们朝着更集成的光学解决方案发展，两种主要方法已经出现：

CPO：主要用于网络应用，CPO旨在降低功耗和成本，同时保持与现有以太网标准的兼容性。

光计算互连（OCI）：为计算架构设计，特别是在人工智能和机器学习应用中，OCI专注于用光学解决方案替代铜互连。提供更高的带宽密度、更长的距离以支持更大的集群，以及更低的功耗。
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CPO和OCI的主要区别在于要求和使用场景。CPO需要保持与现有以太网标准的互操作性，而OCI可以针对特定的计算应用进行优化，可能提供更大的性能优势。

OCI：应对现代计算挑战
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+ b- e  I8 V" P1 B% [; A图3：概述了OCI的关键性能指标（KPI）和扩展方向，包括功耗、带宽密度和延迟目标。

OCI旨在解决现代计算环境中的几个关键挑战：

功率效率：目标是实现小于3.5 pJ/bit，比当前解决方案降低80%。

延迟：OCI的目标是实现小于10ns的延迟，加上传输时间。

带宽密度：目标是超过1.5 Tbps/mm的封装边缘。

总带宽：OCI的目标是每根光纤2 Tbps。
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6 Y- a' O) u4 n3 R9 D% Q2 U为了实现这些雄心勃勃的目标，OCI利用了几项关键技术和设计原则：

集成光电子技术：更多的光电子功能集成到光电子集成芯片中，主要使用硅基光电子技术。

异构集成：使用先进的封装技术将光电子集成芯片与最优秀的集成线路（IC）结合，创建光学引擎。

紧密集成：光学引擎与主机（XPU或交换机）紧密集成，以实现新的系统和应用。
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4 C$ }) y: v/ j) g. ^英特尔的4 Tbps OCI解决方案

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图4：概述了英特尔的4 Tbps OCI解决方案，展示了光电子集成芯片（PIC）和电子集成线路（EIC）与主机XPU的集成。
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英特尔开发了4 Tbps OCI解决方案，展示了这项技术的潜力。该解决方案的主要特点包括：

带宽：每个方向2 Tbps（8根光纤 x 8个波长 x 32 Gb/s）

兼容性：设计为与现有计算生态系统兼容，可连接到计算平台上的标准I/O端口

直接驱动：利用来自主机PCIe5（和UPI）SERDES的未重定时直接驱动

面向未来：支持下一代未重定时PCIe6（64 Gb/s PAM4）连接和未来的协同优化并行接口设计
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) S& ~" O% ]' ]6 ?! ~" R英特尔OCI解决方案的核心是其硅基光电子集成芯片（PIC）：
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图5：显示了英特尔4 Tb/s硅基光电子集成芯片的布局和关键组件，包括激光器、调制器和光电探测器。
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/ R8 s- C& F! R6 j' n这个PIC集成了几项先进特性：

支持并行和串行主机接口

针对功率效率和紧凑尺寸进行优化

高产量硅基光电子平台

8根光纤 x 8个波长 x 64 Gbaud（面向未来的设计）

共享激光器和半导体光放大器（SOA）

高速环形调制器和锗光电探测器（PD）

用于解复用的微环滤波器

偏振分集接收器

V形槽无源光纤耦合或可拆卸光纤连接器
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1 g) J4 `. I$ E$ @7 h& ~9 z英特尔OCI解决方案的一个关键创新是将III-V材料（如InP）与硅基光电子集成：
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1 t# A) d, J# G图6：说明了将III-V材料与硅基光电子集成的价值，展示了混合激光器结构，并强调了在可靠性、性能和成本方面的优势。

, c* g8 x8 K  u- [2 _这种集成提供了几个优势：

提高可靠性：根据现场数据，实现0.1 FIT（单位时间内的故障率）

增强性能：在1400个8波长阵列中，WDM网格的变化小于±15 GHz

成本效益高的生产：实现晶圆级制造，超过1100万个激光器在晶圆上内置和测试
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* V5 a4 K- Z! Z! @! }演示和性能
" u# \- y( S9 I& c& g英特尔成功使用OCI解决方案实现了CPU到CPU的通信：

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图7：展示了平台间BER（误码率）测试的设置，包括眼图余量测量和传输信号的频谱分析。

演示取得了以下结果：

成功实现两个CPU之间32 Gb/s/通道的PRBS31数据传输

均匀的激光器波长间隔和清晰的眼图，表明OCI发射器性能良好

正的眼图余量和约1e-13的BER，证明OCI接收器和整体链路性能良好
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) `; {+ ]# m) p$ A未来扩展和发展
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图8：展示了OCI和CPO未来带宽扩展的选项，包括增加波长、提高调制率和增加光纤数量。

随着OCI技术的不断发展，正在探索几种未来扩展的途径：

增加波长数量：16波长系统的开发正在进行中

更高的调制率：在计算应用中，从32G转向64G，最终达到128G

增加光纤数量：通过紧凑型连接器设计实现，允许更高的带宽和更高的基数

支持高速以太网CPO：具备224G/通道以太网的高速线性接口能力
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  _8 X; {6 a* I$ t. O4 O结论
8 E$ K2 S5 O, t; J" F3 O光计算互连代表了现代计算环境中高速数据通信的重大进步。通过利用先进的硅基光电子技术和创新的封装技术，OCI在带宽密度、功率效率和延迟方面提供了显著的改进。
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英特尔展示的两个CPU之间完全功能的4 Tbps OCI链路，展示了这项技术在革新数据中心和高性能计算架构方面的潜力。随着OCI继续发展和扩展，将在实现下一代人工智能、机器学习和数据密集型应用中发挥关键作用。

) e% _. |: {( N参考文献
1 \- o/ n9 o; t- e- E/ a[1] S. Fathololoumi, "4 Tb/s Optical Compute Interconnect Chiplet for XPU-to-XPU Connectivity," in 2024 Hot Chips Symposium, Aug. 2024.

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' u) `3 p' K% F, p) Q3 `深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
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