智算中心出現(xiàn)帶寬缺口，1.6T以太網(wǎng)力大磚飛

隨著AI計(jì)算大量的數(shù)據(jù)訓(xùn)練與推理負(fù)載，我們對(duì)于擴(kuò)張和建設(shè)大型數(shù)據(jù)中心瓶頸的認(rèn)知，也早已經(jīng)歷了數(shù)個(gè)階段的變化。首先是算力的空缺，接著是內(nèi)存墻，最后我們到了網(wǎng)絡(luò)性能上。多年以來(lái)，以太網(wǎng)作為互聯(lián)網(wǎng)的主心骨，為數(shù)據(jù)中心提供了通用高速的網(wǎng)絡(luò)連接。

據(jù)IDC預(yù)測(cè)，到2025年全球數(shù)據(jù)中心和云端的流量將突破至175ZB。正因如此，我們開(kāi)始打造更為復(fù)雜的多機(jī)架系統(tǒng)，以及復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。與此同時(shí)，隨著新標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)和發(fā)布，每一代以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率都在翻倍，以數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)而言，尤其是以AI負(fù)載為主的智算中心，從400G過(guò)渡到800G，以及未來(lái)走向1.6T，已經(jīng)是大勢(shì)所趨。

1.6T以太網(wǎng)，打破智算中心的連接限制

從目前數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)能耗變化來(lái)看，AI正在慢慢成為增長(zhǎng)最快的負(fù)載之一。據(jù)福布斯報(bào)道，從2023年到2030年，AI負(fù)載將把數(shù)據(jù)中心的能耗提高80%，而常見(jiàn)的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)中，以太網(wǎng)連接相關(guān)的功耗占比高達(dá)60%。

AI不僅消耗了大量的算力資源，也為互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的極大的壓力，不只是服務(wù)器內(nèi)部芯片、加速器之間的互聯(lián)，還有服務(wù)器與架頂式交換機(jī)之間的互聯(lián)。對(duì)于超大規(guī)模LLM這樣對(duì)服務(wù)器要求極高的AI應(yīng)用而言，做到更快的互聯(lián)速度，更低的延遲和更低的功耗，就能更高效地為用戶(hù)提供服務(wù)器。

高速網(wǎng)絡(luò)因此成了每個(gè)大力發(fā)展智算的數(shù)據(jù)中心研究的重點(diǎn)，AI應(yīng)用開(kāi)發(fā)商也會(huì)將這些指標(biāo)納入考量。作為主要連接方式的以太網(wǎng)，也已經(jīng)在探索1.6T網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā)。要想支持更快的以太網(wǎng)絡(luò)，就少不了高速SerDes接口。為了實(shí)現(xiàn)800G和1.6T的高速以太網(wǎng)，必須用到224GB的SerDes以及PAM-4調(diào)制方式。在給定的波特率下，PAM-4可以實(shí)現(xiàn)兩倍于傳統(tǒng)NRZ的比特率。

但采用PAM-4調(diào)制致使眼高有所降低，進(jìn)而使得信噪比降低。因此PAM-4相較NRZ對(duì)噪聲更為敏感，誤碼率增高，必須靠FEC（前向糾錯(cuò)）才能保證其誤碼率，保證其在長(zhǎng)距離下接收信號(hào)。不過(guò)有了FEC的輔助，更高速率的以太網(wǎng)受到的距離限制因素更多，所以其支持的距離往往會(huì)隨著速率增加而逐步遞減。

對(duì)于1.6T的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)而言，參與制定標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.3dj工作組預(yù)計(jì)會(huì)在2026年定稿，但相關(guān)的基礎(chǔ)特性已經(jīng)基本確定確定下來(lái)，比如最大支持1.6Tb/s的MAC速率，MAC層最大誤碼率，芯片到模組和芯片到芯片應(yīng)用可選支持16路1.6Tb/s AUI等。

從現(xiàn)在看來(lái)，正式的標(biāo)準(zhǔn)離我們尚有一段距離，但不代表著相關(guān)的解決方案沒(méi)有成型。面對(duì)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的光模塊、交換機(jī)等市場(chǎng)，對(duì)于博通、Marvell之類(lèi)的設(shè)計(jì)廠商而言，他們并不會(huì)靜靜等待標(biāo)準(zhǔn)定稿才開(kāi)始行動(dòng)。如果想要搶占市場(chǎng)先機(jī)，現(xiàn)在就是了解1.6T以太網(wǎng)設(shè)計(jì)方案的最佳時(shí)機(jī)，新思科技作為以太網(wǎng)IP解決方案的領(lǐng)頭羊，早在幾年前就開(kāi)始部署相關(guān)的解決方案。

高帶寬以太網(wǎng)方案，IP先行

從硬件角度來(lái)說(shuō)，支持以太網(wǎng)數(shù)據(jù)連接的架構(gòu)往往由兩部分組成，一個(gè)是控制器，一個(gè)是PHY（物理層）。其中控制器在芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)的以太網(wǎng)協(xié)議特性，由MAC、PCS和PMA組成。PHY負(fù)責(zé)傳輸和接收數(shù)據(jù)，由PMA和PMD組成。

新思科技早在800G以太網(wǎng)的萌芽階段，就已經(jīng)開(kāi)始了1.6T的布局。在2022年的ECOC大會(huì)上，新思科技就展示了BER小于1e-6的224G接收器PHY方案。去年的DesignCon上，新思科技在224G接收器PHY的Demo上，展示了5nm 224 PAM-4 PAM-4 TX眼圖。去年的OFC、SC23等會(huì)議上，新思科技的224G demo都展示出了優(yōu)異的回路BER性能。

新思科技1.6T以太網(wǎng)解決方案 / 新思科技

今年二月底，新思科技正式發(fā)布了完整的1.6T以太網(wǎng)IP解決方案，包括1.6T以太網(wǎng)控制器IP、224G以太網(wǎng)PHY IP和驗(yàn)證IP。新思科技稱(chēng)這一完整的1.6T以太網(wǎng)解決方案可以顯著減少互聯(lián)功耗，相比上一代功耗低至50%。在標(biāo)準(zhǔn)的支持上，該方案支持IEEE 802.3、OIF-224G標(biāo)準(zhǔn)等過(guò)個(gè)電氣規(guī)范。

相較于目前已有的800G以太網(wǎng)控制器IP方案，新思科技提供的全新多通道/多速率以太網(wǎng)控制器方案除了提供對(duì)1.6T速率以太網(wǎng)支持外，憑借PCS提供的RS-FEC架構(gòu)，還實(shí)現(xiàn)了最高40%的時(shí)延改善，設(shè)計(jì)占用面積最大減少了50%。

新思科技的224G以太網(wǎng)PHY IP則提供了優(yōu)秀的信號(hào)完整度和抖動(dòng)性能，可以做到0 post-FEC BER。除了傳統(tǒng)的NRZ外，也支持到逐漸成為主流的PAM-4。針對(duì)光模塊、AI/ML處理器、NIC等不同硬件的設(shè)計(jì)需求，新思科技的以太網(wǎng)PHY IP可以定制化，用于支持芯片到芯片、芯片到模組以及銅線(xiàn)連接等不同的以太網(wǎng)互聯(lián)方案。

除此之外，新思科技提供了業(yè)內(nèi)首個(gè)1.6T驗(yàn)證IP，支持前期RTL驗(yàn)證、SoC調(diào)試以及系統(tǒng)層級(jí)的校驗(yàn)等，加快設(shè)計(jì)者的驗(yàn)證進(jìn)度。據(jù)了解，新思科技也在關(guān)鍵生態(tài)合作伙伴、芯片廠商、標(biāo)準(zhǔn)制定協(xié)會(huì)等合作，未來(lái)會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展對(duì)1.6T以太網(wǎng)的支持，包括車(chē)載以太網(wǎng)及其他的速度模式等。

值得一提的是，新思科技 224G 以太網(wǎng) PHY IP 已經(jīng)在臺(tái)積電的N3E工藝中成功實(shí)現(xiàn)流片，所以工程師只需要專(zhuān)注在產(chǎn)品的差異化設(shè)計(jì)上。硅驗(yàn)證的以太網(wǎng)PHY IP、時(shí)延優(yōu)化的以太網(wǎng)控制器IP以及首個(gè)1.6T驗(yàn)證IP結(jié)合，已經(jīng)為設(shè)計(jì)者鋪好了邁向更高速率以太網(wǎng)絡(luò)的路徑。與行業(yè)主要參與者打通的互操作性，也為多供應(yīng)商設(shè)備兼容做好了保證。

寫(xiě)在最后

新思科技表示，其完整的1.6T以太網(wǎng)IP解決方案已經(jīng)被多個(gè)客戶(hù)采用，相信下一代1.6T以太網(wǎng)連接的產(chǎn)品和系統(tǒng)都已經(jīng)在緊鑼密鼓的開(kāi)發(fā)過(guò)程中。與此同時(shí)，我們還需要持續(xù)關(guān)注下一代光模塊封裝方式面臨的挑戰(zhàn)。

新思科技的以太網(wǎng)IP已經(jīng)支持可插拔、NPO（近封裝光學(xué)）和CPO（共封裝光學(xué)）的不同方案，究竟哪一種方案技術(shù)成熟度更高、成本可觀，仍是未來(lái)光模塊廠商需要考慮的問(wèn)題。但可以肯定的是，1.6T以太網(wǎng)勢(shì)必會(huì)為智算中心帶來(lái)新一輪的性能升級(jí)。