Intel demuestra el primer chip de E/S óptico totalmente integrado

Intel Corporation ha logrado un hito revolucionario en la tecnología fotónica integrada para la transmisión de datos a alta velocidad. En la Conferencia sobre Comunicación por Fibra Óptica (OFC) 2024, el Grupo de Soluciones Fotónicas Integradas (IPS) de Intel presentó el chiplet de interconexión óptica de cómputo (OCI) más avanzado y el primero totalmente integrado de la industria, que se combina con una CPU Intel y ejecuta datos en tiempo real. El chiplet OCI de Intel representa un salto adelante en la interconexión de gran ancho de banda, ya que permite la entrada/salida óptica (E/S) coempaquetada en la infraestructura de IA emergente para centros de datos y aplicaciones de computación de alto rendimiento (HPC).

"El movimiento cada vez mayor de datos de servidor a servidor está poniendo a prueba las capacidades de la infraestructura de los centros de datos actuales, y las soluciones actuales se están acercando rápidamente a los límites prácticos del rendimiento de E/S eléctrica. Sin embargo, el revolucionario logro de Intel permite a los clientes integrar sin problemas soluciones de interconexión fotónica de silicio coempaquetadas en los sistemas informáticos de próxima generación. Nuestro chiplet OCI aumenta el ancho de banda, reduce el consumo de energía y aumenta el alcance, lo que permite la aceleración de cargas de trabajo ML que promete revolucionar la infraestructura de IA de alto rendimiento", dijo Thomas Liljeberg, director senior de Gestión y Estrategia de Productos del Grupo de Soluciones Fotónicas Integradas (IPS).

Este primer chip OCI está diseñado para soportar 64 canales de transmisión de datos de 32 gigabits por segundo (Gbps) en cada dirección en hasta 100 metros de fibra óptica y se espera que responda a las crecientes demandas de la infraestructura de IA de mayor ancho de banda, menor consumo de energía y mayor alcance. Permite la escalabilidad futura de la conectividad de clústeres de CPU/GPU y arquitecturas informáticas novedosas, como la expansión coherente de la memoria y la desagregación de recursos.

Las aplicaciones basadas en IA se despliegan cada vez más en todo el mundo, y los recientes avances en grandes modelos lingüísticos (LLM) e IA generativa están acelerando esa tendencia. Los modelos de aprendizaje automático (ML) más grandes y eficientes desempeñarán un papel clave a la hora de abordar los requisitos emergentes de las cargas de trabajo de aceleración de la IA. La necesidad de escalar las futuras plataformas informáticas para la IA está impulsando un crecimiento exponencial del ancho de banda de E/S y un mayor alcance para soportar clústeres de unidades de procesamiento (CPU/GPU/IPU) más grandes y arquitecturas con una utilización más eficiente de los recursos, como la desagregación de xPU y la agrupación de memoria.

La E/S eléctrica (es decir, la conectividad de trazas de cobre) admite una alta densidad de ancho de banda y un bajo consumo, pero sólo ofrece alcances cortos de un metro o menos. Los módulos transceptores ópticos enchufables utilizados en los centros de datos y los primeros clústeres de IA pueden aumentar el alcance a niveles de coste y potencia que no son sostenibles con los requisitos de escalado de las cargas de trabajo de IA. Una solución de E/S óptica xPU coempaquetada puede soportar mayores anchos de banda con una eficiencia energética mejorada, baja latencia y mayor alcance, exactamente lo que requiere el escalado de la infraestructura de IA/ML.

Como analogía, sustituir la E/S eléctrica por E/S óptica en CPU y GPU para transferir datos es como pasar de utilizar carruajes de caballos para distribuir mercancías, limitados en capacidad y alcance, a utilizar coches y camiones que pueden entregar cantidades mucho mayores de mercancías en distancias mucho más largas. Este nivel de mejora del rendimiento y del coste energético es lo que las soluciones de E/S ópticas como el chiplet OCI de Intel que está surgiendo aportan al escalado de la IA.

El chiplet OCI totalmente integrado aprovecha la tecnología fotónica de silicio de Intel, de eficacia probada en la práctica, e integra un circuito integrado fotónico de silicio (PIC), que incluye láseres y amplificadores ópticos en el chip, con un circuito integrado eléctrico. El chip OCI presentado en la OFC se empaquetó junto con una CPU de Intel, pero también puede integrarse con CPU, GPU, IPU y otros sistemas en chip (SoC) de próxima generación.

Esta primera implementación de OCI admite una transferencia de datos bidireccional de hasta 4 terabits por segundo (Tbps), compatible con la interconexión de componentes periféricos express (PCIe) Gen5. La demostración de enlace óptico en directo muestra una conexión de transmisor (Tx) y receptor (Rx) entre dos plataformas de CPU a través de un cable de conexión de fibra monomodo (SMF). Las CPU generaron y midieron la tasa de errores de bits (BER) óptica, y la demostración muestra el espectro óptico Tx con 8 longitudes de onda a 200 gigahercios (GHz) de separación en una sola fibra, junto con un diagrama de ojo Tx de 32 Gbps que ilustra la gran calidad de la señal.

El chiplet actual admite 64 canales de datos de 32 Gbps en cada dirección hasta 100 metros (aunque las aplicaciones prácticas pueden limitarse a decenas de metros debido a la latencia del tiempo de vuelo), utilizando ocho pares de fibras, cada uno de los cuales transporta ocho longitudes de onda de multiplexación densa por división de longitud de onda (DWDM). La solución coempaquetada también es extraordinariamente eficiente desde el punto de vista energético, ya que sólo consume 5 pico-Joules (pJ) por bit, en comparación con los módulos transceptores ópticos enchufables, que consumen unos 15 pJ/bit. Este nivel de hipereficiencia es fundamental para los centros de datos y los entornos informáticos de alto rendimiento, y podría ayudar a hacer frente a los insostenibles requisitos energéticos de la IA.

Como líder del mercado en fotónica de silicio, Intel aprovecha más de 25 años de investigación interna de Intel Labs, que fue pionera en fotónica integrada. Intel fue la primera empresa en desarrollar y distribuir productos de conectividad basados en fotónica de silicio con una fiabilidad líder en el sector y en grandes volúmenes a los principales proveedores de servicios en la nube.

El principal factor diferenciador de Intel es su integración sin parangón mediante la tecnología híbrida láser sobre oblea y la integración directa, que aportan mayor fiabilidad y menores costes. Este enfoque único permite a Intel ofrecer un rendimiento superior manteniendo la eficiencia. La sólida plataforma de gran volumen de Intel presume de haber distribuido más de 8 millones de PIC con más de 32 millones de láseres integrados en chip, mostrando una tasa de fallos de láser a tiempo (FIT) inferior a 0,1, una medida de fiabilidad ampliamente utilizada que representa las tasas de fallos y cuántos fallos se producen.

Estos PIC se empaquetaron en módulos transceptores enchufables, desplegados en grandes redes de centros de datos de los principales proveedores de servicios de nube a hiperescala para aplicaciones de 100, 200 y 400 Gbps. Se están desarrollando PIC de 200 G/L de próxima generación para aplicaciones emergentes de 800 Gbps y 1,6 Tbps.

Intel también está implementando un nuevo nodo de proceso de fabricación de fotónica de silicio con un rendimiento de dispositivos (SOA) de vanguardia, mayor densidad, mejor acoplamiento y una economía muy mejorada. Intel sigue avanzando en el rendimiento del láser en chip y el SOA, el coste (más de un 40% de reducción de la superficie del chip) y la potencia (más de un 15% de reducción).

El actual chip OCI de Intel es un prototipo. Intel está trabajando con clientes selectos para empaquetar OCI con sus SOC como una solución de E/S óptica.

El chiplet OCI de Intel representa un salto adelante en la transmisión de datos a alta velocidad. A medida que evoluciona el panorama de las infraestructuras de IA, Intel se mantiene a la vanguardia, impulsando la innovación y dando forma al futuro de la conectividad.