用光電混合突破算力邊界，WAIC上這家企業(yè)大秀肌肉

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/吳子鵬）當(dāng)前，摩爾定律遇到了非常大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)硅器件要實現(xiàn)性能提升需要付出高昂的代價。在這個大背景下，光電混合被認(rèn)為是未來計算芯片突破性能瓶頸的有效手段。就連有全球半導(dǎo)體風(fēng)向標(biāo)之稱的ISSCC會議對光電混合也是高度關(guān)注，在2024年世界人工智能大會（以下簡稱：WAIC 2024）上，曦智科技所展示的領(lǐng)先的光電混合技術(shù)同樣得到了廣泛的關(guān)注。

WAIC 2024觀眾參觀曦智科技展臺

面向AI大模型所需要的計算和互連兩大關(guān)鍵環(huán)節(jié)，曦智科技展示了首款基于片上光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（oNOC）的全長、全高、雙插槽PCIe Gen3的人工智能推理卡OptiHummingbird，CPO共封裝光學(xué) (Co-Packaged Optics）方面技術(shù)儲備，以及其他光計算、光互連硬件等。

打造硅光技術(shù)和光電混合算力新范式

很多人將光電混合定義為未來的科技之光，這其實并不夸張，硅光芯片和光通信等前沿技術(shù)在計算和傳輸方面所體現(xiàn)出來的優(yōu)勢是巨大的。比如，光子芯片具有高速、大帶寬和低功耗的特點，可以更好地實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的高效處理，并避免電信號的傳輸噪聲和傳輸延遲。同時，硅光計算芯片能夠在單芯片內(nèi)融入多種光子器件，不僅有更高的集成度，而且能夠兼容傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體器件和制造工藝。

曦智科技OptiHummingbird里面的芯片便是采用先進的封裝技術(shù)，將硅光芯片和微電子芯片通過中間層進行垂直封裝。在這顆芯片內(nèi)部，微電子芯片提供了64個計算核，硅光芯片則提供oNOC(Optical Network on Chip）片上光網(wǎng)絡(luò)。oNOC可以實現(xiàn)單個電芯片（EIC）內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸，也可以實現(xiàn)封裝內(nèi)部多個電芯片（EIC）之間的數(shù)據(jù)通信，因此oNOC是實現(xiàn)片上多核異構(gòu)計算的核心技術(shù)。通過oNOC技術(shù)和光電混合，使得搭載相關(guān)芯片的OptiHummingbird加速卡具有非常高的計算能效，只需要被動散熱，硬件功耗僅為65W。

為打造集成硅光技術(shù)與光電混合的算力新范式，曦智科技目前擁有多項前沿的技術(shù)儲備。比如oMAC光子矩陣計算：通過光來替代傳統(tǒng)的電子進行數(shù)據(jù)處理，可執(zhí)行線性運算，主要指乘法與加法，也可理解為矩陣-矩陣或矩陣-向量之間的乘法；oNET片間光網(wǎng)絡(luò)：光芯片起到類似optical BUS的作用，將單元內(nèi)部需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)集中起來，通過光傳播介質(zhì)（如光纖）與其他單元進行數(shù)據(jù)交互。

基于這些前沿的技術(shù)，曦智科技也展示了一些前沿的成果，比如曦智科技第二代光子計算處理器PACE，PACE的核心是64x64的光學(xué)矩陣乘法器，由一塊集成硅光芯片和一塊CMOS微電子芯片以3D封裝形式堆疊而成。PACE的單個光子芯片中集成超過10000個光子器件，運行1GHz系統(tǒng)時鐘。在展會現(xiàn)場，曦智科技演示了PACE在解決最大割問題上的速度，顯著優(yōu)于該產(chǎn)品發(fā)布時市場上領(lǐng)先的GPU芯片。

助力實現(xiàn)資源池化和全光互連

除了光電混合的計算能力，曦智科技也在積極布局光電傳輸，現(xiàn)階段這方面的需求是巨大的。舉兩個典型的市場需求，第一個是數(shù)據(jù)中心采用計算和存儲分離式架構(gòu)，很大程度上依賴于PCIe和CXL等低延遲互連，通過光互連實現(xiàn)CXL是非常有效的手段；第二是全光底座的打造，通過超大規(guī)模全光組網(wǎng)、城域池化波分和全光綜合接入等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)超大帶寬、超低時延、超高可靠的連接網(wǎng)絡(luò)，在全光底座和計算單元的連接上，也有巨大的光電混合需求。

WAIC 2024上，曦智科技展示了首款兼容PCIe和CXL協(xié)議的數(shù)據(jù)中心計算光互連硬件產(chǎn)品Photowave，具有標(biāo)準(zhǔn)PCIe卡、OCP 3.0 SFF卡和有源光纜等多種產(chǎn)品形態(tài)。該產(chǎn)品系列可配置x16、x8 、x4 、x2等不同通道數(shù)，適用于服務(wù)器平臺、CXL交換機、存儲應(yīng)用以及xPU之間的互連，兼容性強。Photowave具有非常明顯的低延遲和能效優(yōu)勢，設(shè)計數(shù)據(jù)傳輸延遲低于20納秒，其中有源光纜延遲低至1納秒以下，功耗也降至15瓦以下。這里需要特別提到的是，Photowave的核心技術(shù)便是oNET片間光網(wǎng)絡(luò)，oNET和CXL的融合是一種強強聯(lián)合，可以幫助數(shù)據(jù)中心更好地實現(xiàn)資源池化和橫向擴展。

曦智科技Photowave計算光互連硬件產(chǎn)品

曦智科技工作人員表示，Photowave讓數(shù)據(jù)中心主要資源全部解耦和池化，支持單模和多模光纖實現(xiàn)，最大支持?jǐn)?shù)十米的傳輸距離，并且資源可靈活調(diào)配和增減。

曦智科技還展示了基于OCS的跨服務(wù)器XPU光互連。OCS（Optical Circuit Switching）是一種基于光學(xué)交叉開關(guān)原理的光信號控制交換技術(shù)，其核心功能是在光層面對信號進行快速、靈活的路由和切換，使服務(wù)器端口實現(xiàn)直接光學(xué)互連，過程中無需光電轉(zhuǎn)換，能耗大幅度降低。

綜合而言，曦智科技在光互連方面提供的產(chǎn)品包括互連線纜、OBO板載光組件、OCP轉(zhuǎn)接卡和互連板卡。

結(jié)語

Yole的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2022年全球硅光市場規(guī)模達到6,800萬美元，受益于用于提升光纖網(wǎng)絡(luò)容量的數(shù)據(jù)中心收發(fā)器的推動，預(yù)期2028年全球硅光市場規(guī)模將達到6億美元，其間硅光芯片年復(fù)合增長率預(yù)估為44%。當(dāng)前，光傳輸在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可，隨著硅器件的計算瓶頸愈發(fā)明顯，未來光電混合的計算芯片也有巨大的發(fā)展前景。無論是計算還是傳輸，曦智科技都已經(jīng)走在了產(chǎn)業(yè)前沿。