Будущее микропроцессорных соединений: от традиционных автобусов до оптических звеньев

Эволюция микропроцессорных соединений

Неустанное стремление к более высокой производительности вычислений предъявляло беспрецедентные требования к коммуникационным путям внутри и между микропроцессорами. В течение десятилетий эти пути, известные как межсоединения, были построены с использованием электрических автобусов, которые хорошо работали для относительно скромных скоростей передачи данных. Сегодня, когда рабочие нагрузки в области искусственного интеллекта, аналитики в реальном времени и высокопроизводительных вычислений выдвигают требования к пропускной способности в диапазон терабитов в секунду, ограничения традиционных электрических межсоединений стали критическим узким местом. В этой статье рассматриваются текущее состояние межсоединений микропроцессоров, фундаментальные недостатки электрических автобусов и преобразующий потенциал оптических связей, которые обещают переопределить архитектуру системы в ближайшие годы.

Современные технологии межсоединения: фонд под напряжением

Современные микропроцессоры полагаются на иерархию межсоединений, которые охватывают от самого чипа до материнской платы и за ее пределами. На уровне чипа межсоединения на чипе (такие как поперечные панели, сетки и кольцевые сети) перемещают данные между ядрами, кэшами и контроллерами памяти. Эти сети на чипе (NoC) были необходимы для масштабирования многоядерных процессоров, но они потребляют значительную часть бюджета мощности чипа и ограничены задержкой провода и ослаблением сигнала по мере увеличения частоты. Для межчиповой связи отраслевые стандарты, такие как PCI Express (PCIe), Compute Express Link (CXL) и Universal Memory Interconnect (UMI), обеспечивают последовательные связи, которые развивались через несколько поколений. PCIe Gen 5.0, например, обеспечивает 32 GT / с на полосу, но достижение этих скоростей требует сложного выравнивания, ретаймеров и тщательной конструкции платы для поддержания целостности сигнала.

Параллельно, межсоединения памяти, такие как DDR5 и HBM3, подтолкнули скорость передачи данных к 8,4 Гт / с и за его пределами, но они также сталкиваются с фундаментальными физическими ограничениями. Ключевой момент заключается в том, что каждое поколение электрического межсоединения требует все более сложных методов - предварительного акцента, выравнивания обратной связи принятия решений, коррекции ошибок - для компенсации присущих ограничений медных следов и диэлектрических материалов. Эти методы добавляют задержку, увеличивают потребление энергии и повышают сложность, одновременно обеспечивая снижение отдачи при масштабировании битовой скорости.

Роль автобуса «Переднего хода» и «За его пределами»

Исторически Front-Side Bus (FSB) был основным звеном между процессором и концентратором контроллера памяти. По мере того, как тактовые частоты росли, ФСБ стала печально известным узким местом, что привело к принятию межсоединений точка-точка, таких как HyperTransport и Intel QuickPath Interconnect (QPI). Они перешли от общих автобусов к прямым связям, уменьшив разногласие и улучшив масштабируемость. Однако даже электрические линии точка-точка теперь приближаются к своим практическим пределам. Деградация сигнала по материнской плате всего на несколько сантиметров в длину может привести к ошибкам бита, которые неприемлемы для современных систем, заставляя архитекторов принимать более короткие расстояния и больше повторителей.

On-Chip Interconnects: местное бутылочное горлышко

Внутри современного многодискового процессора данные должны перемещаться по сети проводов, которые пересекают кремниевую матрицу. Традиционные глобальные провода относительно широки и потребляют значительную динамическую мощность по мере их зарядки и разрядной емкости. С каждым технологическим узлом задержки проводов не масштабируются, а также задержки транзисторов, создавая «кризис проводки», где задержка связи доминирует над общей производительностью системы. Дизайнеры ответили иерархическими топологиями, но фундаментальная стоимость энергии при движении немного по чипу остается упрямо высокой - около 1-10 pJ за бит для электрических линий на чипе, в зависимости от расстояния и технологии. Эта энергия накладные расходы является основным мотиватором для изучения оптических альтернатив.

Вызовы традиционных автобусов в эпоху высоких показателей

Трудности, с которыми сталкиваются электрические соединения, не новы, но они становятся все более острыми, поскольку скорость передачи данных приближается к 112 Гбит/с на полосу и за ее пределами. Ниже приведены наиболее важные проблемы, которые ограничивают традиционные автобусы и электрические линии между точками.

• Ограниченная полоса пропускания на более высоких частотах — Медные следы ведут себя как линии передачи с потерями на высоких частотах, ослабляя сигналы и вызывая дрожание времени.В результате полезная полоса пропускания на плато полосы, заставляя дизайнеров умножать количество полос — что увеличивает количество контактов и сложность пакета.
• Проблемы целостности сигнала из-за электромагнитных помех — Перекресток между соседними полосами, отражения от несоответствий импеданса и внешних источников шума ухудшают качество сигнала. По мере увеличения тактовой частоты закрывается диаграмма глаз, требующая сложного выравнивания, что добавляет задержку и мощность.
• Увеличение энергопотребления — Энергия на бит для электрических межсоединений плохо масштабируется с расстоянием. Для микросхемных соединений длиной более 10 см мощность, рассеиваемая в драйверах, приемниках и резисторах терминации, становится существенной частью общего бюджета мощности системы.
• Физические ограничения в уменьшении размеров шины — Достижение большей пропускной способности на единицу площади требует сокращения проволочных лучей и размеров разъемов. Это усугубляет перекрестные и производственные проблемы, а также расширяет пределы миграции электромедь в суи и микро-скачки.
• Накладные расходы на задержку — Такие методы, как коррекция ошибок вперед и накладные расходы на протокол, добавляют десятки наносекунд на прохождение ссылки. В то время как наносекунды кажутся тривиальными, они накапливаются во многих прыжках на сервере с несколькими сокетами, влияя на общую производительность приложения.

Эти проблемы не просто теоретические — они заставляют фундаментально переосмыслить, как построены высокопроизводительные вычислительные системы. Промышленность отреагировала такими инновациями, как мелкозернистые острова напряжения, адаптивное выравнивание и передовая упаковка (например, 2,5D и 3D-укладка), чтобы выжать больше производительности из электрических звеньев. Тем не менее, это временные меры; физика меди и диэлектриков в конечном итоге накладывает потолок. Чтобы прорваться через этот потолок, исследователи и ведущие компании обращаются к оптике.

Переход к оптическим межсоединениям

Оптические межсоединения используют модулированный свет — обычно от лазера или светоизлучающего диода — для передачи данных через волновод или оптическое волокно. Идея существует десятилетиями, но до недавнего времени стоимость и сложность интеграции оптических компонентов с кремниевой электроникой были непомерно высоки. Это меняется, обусловленное достижениями в кремниевой фотонике, микро-LED-решениях и совместной оптике. При кремниевом фотонном подходе оптические модуляторы, волноводы и детекторы изготавливаются непосредственно на кремниевой подложке с использованием обычных процессов CMOS, что позволяет плотную интеграцию с электронными схемами. Результатом является гибридный чип, который может генерировать, передавать и обнаруживать оптические сигналы, не покидая пакет чипа.

Как работают оптические соединения на системном уровне

Типичная оптическая линия в компьютерной системе состоит из лазерного источника (часто не чипа или интегрирован на отдельном фотонном кристалле), модулятора, который кодирует электрические данные в световые импульсы, волновода или волокна для направления света, и фотоприемника, который преобразует оптический сигнал обратно в электрические данные. Поскольку свет не страдает от сопротивления, емкости или электромагнитных помех, он может перемещаться на значительные расстояния (сантиметры до километров) с очень низкими потерями и без ухудшения сигнала. Кроме того, оптические волноводы могут быть плотно упакованы без перекрестного сцепления, что обеспечивает чрезвычайно высокую совокупную пропускную способность на единицу площади.

Одной из перспективных конфигураций является совместно упакованная оптика, где фотонная интегральная схема (PIC) размещается непосредственно рядом с процессором или коммутатором ASIC в одном пакете. Такой подход устраняет необходимость в длинных электрических трассах через печатную плату, снижая как потребление энергии, так и задержку. Лидеры отрасли, такие как Intel, NVIDIA и Broadcom, продемонстрировали прототипы, которые перемещают данные между процессором и сетевым интерфейсом на сотни гигабит в секунду с использованием совместно упакованных оптических двигателей.

Преимущества оптических ссылок

• Значительно более высокие скорости передачи данных — Оптические линии связи обычно работают на частоте 400 Гбит/с и 800 Гбит/с на волокно или волновод, при этом коммерческие демонстрации уже на уровне 1,6 Тбит/с. Множественные длины волн могут быть мультиплексированы (Wavelength Division Multiplexing, WDM) для еще большего увеличения емкости без увеличения количества физических каналов.
• Иммунитет к электромагнитным помехам — оптические сигналы не подвержены воздействию излучаемого шума, перекрестных помех или проблем с заземлением, что делает их идеальными для сред с высоким электрическим шумом, таких как центры обработки данных, содержащие тысячи плотно упакованных серверов.
• Потенциал для миниатюризации и интеграции с существующей кремниевой технологией — кремниевая фотоника использует зрелое изготовление CMOS, что позволяет производить недорогие, большие объемы фотонных компонентов наряду с транзисторами. Это открывает дверь к монолитному оптическому вводу/выводу, который находится на том же кристалле, что и микропроцессорное ядро.
• Меньшая энергия на передаваемый бит — Текущие оптические линии потребляют около 1-5 pJ/бит для расстояний от чипа до чипа в несколько сантиметров, при этом проекции падают ниже 0,5 pJ/бит по мере улучшения интеграции. Напротив, электрические линии на аналогичных расстояниях часто превышают 2-10 pJ/бит, особенно когда включены накладные расходы на выравнивание.
• Сниженная задержка — оптические сигналы распространяются со скоростью около двух третей скорости света в стекле, в то время как электрические сигналы в меди движутся со скоростью примерно вдвое меньшей скорости света, в зависимости от диэлектрической постоянной. Кроме того, оптические линии связи не требуют цепей выравнивания, сокращающих задержку на одну линию на десятки наносекунд.

Будущие тенденции и разработки в области оптических соединений

Переход от электрических к оптическим соединениям идет полным ходом, хотя в течение следующего десятилетия он будет происходить поэтапно. Исследовательские лаборатории и дорожные карты продуктов указывают на несколько ключевых разработок, которые будут определять будущее микропроцессорной связи.

Силиконовая фотоника созревает

Кремниевая фотоника перешла от темы нишевых исследований к коммерческой реальности. Такие компании, как Cisco, Intel и Marvell, теперь предлагают приемопередатчики, которые интегрируют кремниевый фотонный чип с драйвером CMOS, позволяя использовать 100 Гбит/с и 400 Гбит/с в коммутаторах центров обработки данных. Следующим шагом является интеграция лазерного источника на чипе, устраняя необходимость в внешних лазерах, которые требуют точного выравнивания и вводят проблемы надежности. Недавние прорывы в гибридных лазерах III-V / кремний показывают перспективы, но технологичность и срок службы остаются активными областями исследований.

Сопакованные оптики и оптические модули ввода/вывода

В CPO PIC прикреплен к той же подложке, что и процессор или коммутатор, часто в конфигурации многочипового модуля (MCM). Это уменьшает расстояние, которое электрические сигналы должны пройти от логики процессора к драйверу модулятора, сокращая мощность и задержку. Отраслевые стандарты, такие как Co-Packaged Optics Alliance и инициативы, возглавляемые Optical Internetworking Forum (OIF), определяют интерфейсы и разъемы для ускорения принятия. К 2026 году ожидается, что несколько крупных поставщиков облачных услуг разместят модули CPO в своих центрах обработки данных.

Фотоническая электронная система в упаковке (SiP)

Заглядывая дальше, конечное видение представляет собой полностью интегрированную фотонно-электронную систему в пакете, где один чип содержит тысячи оптических каналов ввода-вывода, каждый из которых работает на десятки Гбит/с. Такая часть может обеспечить совокупную пропускную способность в десятки Тбит/с, потребляя при этом всего несколько ватт мощности для оптического участка. Это позволит создать революционные архитектуры, такие как дезагрегированные пулы памяти, оптически подключенные к вычислительным узлам, или все оптические сети внутри серверной стойки.

Влияние на вычислительные архитектуры

Наличие маломощных оптических соединений с высокой пропускной способностью коренным образом изменит способ проектирования компьютерных систем. Рассмотрим следующие последствия:

• Усовершенствованные скорости обработки для центров обработки данных и суперкомпьютеров — Оптические связи устраняют стену ввода-вывода, которая в настоящее время ограничивает масштабирование в крупных системах. Exascale и суперкомпьютеры после exascale будут полагаться на оптические соединительные ткани, чтобы связать миллионы узлов без непомерных затрат на электроэнергию.
• Более энергоэффективная передача данных в устройствах — потребительские устройства от ноутбуков до смартфонов могут включать оптические соединения для высокоскоростного перемещения данных между памятью, процессором и дисплеем, продлевая срок службы батареи и позволяя более тонкие форм-факторы.
• Основы новых архитектур, таких как квантовые вычисления — Квантовые компьютеры требуют чрезвычайно низкой задержки, низкошумных межсоединений для связи кубитов и классических систем управления.Оптические сигналы не вызывают электромагнитный шум и могут быть маршрутизированы с минимальным перекрестным разговором, что делает их идеальными для квантово-классической интеграции.
• Сокращение физического размера высокоскоростных межсоединений — Поскольку оптические волноводы могут быть плотно упакованы без помех, межсоединительный след сжимается, освобождая пространство на плате для большего количества вычислительных элементов или уменьшая общий размер системы.
• Включение чиплетов и гетерогенная интеграция — Стремление к модульным конструкциям на основе чиплетов требует высокоскоростных, маломощных межсоединений. Оптические линии предлагают путь для соединения чиплетов на расстояниях в несколько сантиметров с гораздо меньшей энергией, чем электрические мосты, что делает их привлекательными для будущих многодисковых процессоров.

Оригинальное название: Beyond Silicon Photonics

В то время как кремниевая фотоника доминирует в краткосрочных дорожных картах, изучаются другие материальные платформы. Модуляторы ниобата лития предлагают чрезвычайно низкие напряжения привода и высокие скорости модуляции, что позволяет использовать ультранизкие энергетические связи. Плазмонические межсоединения, которые ограничивают свет до субволновых размеров, обещают еще большую плотность, но сталкиваются с более высокими потерями поглощения. Кроме того, лазеры на чипе на основе материалов квантовых точек показывают улучшенную стабильность температуры и более низкие пороги. Каждая из этих технологий может найти свою нишу в конкретных приложениях - например, ниобат лития для высокоскоростных межпоставочных связей и лазеры квантовых точек для источников на чипе в суровых условиях.

Заключительная перспектива

Традиционные электрические шины, которые служили отрасли добросовестно в течение десятилетий, достигают фундаментальных физических пределов, которые не могут быть преодолены только умной инженерией. Оптические межсоединения, особенно те, которые используют кремниевую фотонику и совместно упакованную оптику, предлагают четкий путь вперед: более высокая пропускная способность, более низкая мощность, меньше времени ожидания и большая масштабируемость. Хотя переход не произойдет в одночасье - из-за производственных проблем, соображений стоимости и необходимости отраслевых стандартов - траектория безошибочна. В ближайшие годы оптические связи будут мигрировать из сетей центров обработки данных на большие расстояния внутрь сервера, затем в пакет процессора и в конечном итоге на сам чип. Эта эволюция выпустит новые уровни вычислительной производительности и эффективности, позволяя приложениям, которые сегодня являются только мечтами.

Для дальнейшего чтения технических деталей и прогресса в отрасли см. страницу исследований Intel Silicon Photonics и Оптический интернет-рабочий форум . Недавняя белая книга от Co-Packaged Optics Alliance предоставляет дорожную карту для развертывания CPO в гипермасштабных центрах обработки данных. Кроме того, статья «Silicon Photonics for Computing» от Chen et al. (Journal of Lightwave Technology, 2023) предлагает всеобъемлющий технический обзор.