新的光電共封裝技術或取代數(shù)據(jù)中心中的電互連裝置，大幅提高AI 和其他計算應用的速度與能效
北京2024年12月12日 /美通社/ -- 近日，IBM（紐約證券交易所代碼：IBM）發(fā)布了其在光學技術方面的突破性研究成果，有望顯著提高數(shù)據(jù)中心訓練和運行生成式 AI 模型的效率。IBM研究人員開發(fā)的新一代光電共封裝 (co-packaged optics，CPO) 工藝，通過光學技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的光速連接，為現(xiàn)有的短距離光纜提供了有力補充。通過設計和組裝首個宣布成功的聚合物光波導 (PWG)，IBM 研究人員展示了光電共封裝技術將如何重新定義計算行業(yè)在芯片、電路板和服務器之間的高帶寬數(shù)據(jù)傳輸。
今天，光纖技術已經(jīng)被廣泛用于遠距離的高速數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了"以光代電"來管理全球幾乎所有的商業(yè)和通信傳輸。雖然數(shù)據(jù)中心的外部通信網(wǎng)絡已經(jīng)采用光纖，但其內(nèi)部的機架仍然主要使用銅質(zhì)電線進行通信。通過電線連接的 GPU 加速器可能有一半以上的時間處于閑置狀態(tài)，在大型分布式訓練過程中需要等待來自其他設備的數(shù)據(jù)，導致高昂的成本和能源浪費。
IBM 研究人員發(fā)現(xiàn)了一種將光學的速度和容量引入數(shù)據(jù)中心的新方法。在其最新發(fā)表的一篇論文中，IBM 展示了其全球首發(fā)、可實現(xiàn)高速光學連接的光電共封裝原型。這項技術可大幅提高數(shù)據(jù)中心的通信帶寬，最大限度地減少 GPU 停機時間，同時大幅加快 AI 工作速度。該創(chuàng)新將實現(xiàn)以下新突破：
IBM 高級副總裁、IBM研究院院長 Dario Gil 表示："生成式AI需要越來越多的能源和處理能力，數(shù)據(jù)中心必須隨之升級換代，而光電共封裝技術可以幫助數(shù)據(jù)中心從容面向未來。隨著光電共封裝技術取得突破，光纖電纜將大幅提升數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳輸效率，芯片之間的通信、AI工作負載的處理也會更高效，我們將進入一個更高速、更可持續(xù)的新通信時代。"
比現(xiàn)有芯片間通信帶寬快 80 倍
得益于近年芯片技術的進步，芯片上可以容納更多、更密集的晶體管；比如，IBM 的 2 納米芯片技術可在單一芯片上植入 500 多億個晶體管。光電共封裝技術旨在擴大加速器之間的互連密度，幫助芯片制造商在電子模組上添加連接芯片的光通路，從而超越現(xiàn)有電子通路的限制。IBM 的論文所述的新型高帶寬密度光學結(jié)構和其他創(chuàng)新成果，比如，通過每個光通道傳輸多個波長，有望將芯片間的通信帶寬提高至電線連接的 80 倍。
與目前最先進的光電共封裝技術相比，IBM 的創(chuàng)新成果可以使芯片制造商在硅光子芯片邊緣增加六倍數(shù)量的光纖，即所謂的"鬢發(fā)密度 (beachfront density)"。每根光纖的寬度約為頭發(fā)絲的三倍，長度從幾厘米到幾百米不等，可傳輸每秒萬億比特級別的數(shù)據(jù)。IBM 團隊采用標準封裝工藝，在 50 微米間距的光通道上封裝高密度的聚合物光波導 (PWG)，并與硅光子波導絕熱耦合。
論文還指出，上述光電共封裝模塊采用50微米間距的聚合物光波導，首次通過了制造所需的所有壓力測試。這些模組需要經(jīng)受高濕度環(huán)境、-40°C 至 125°C 的溫度以及機械耐久性測試，以確保光互連裝置即使彎曲，也不會斷裂或丟失數(shù)據(jù)。此外，研究人員還展示了 18 微米間距的聚合物光波導技術：將四個聚合物光波導設備堆疊在一起，可以實現(xiàn)多達 128 個通道的連接。
IBM 持續(xù)引領半導體技術研發(fā)
面對日益增長的 AI 性能需求，光電共封裝技術開創(chuàng)了一條新的通信途徑，并可能取代從電子到光學的模塊外通信。這一技術突破延續(xù)了IBM 在半導體創(chuàng)新方面的領導地位，包括全球首個 2 納米芯片技術、首個 7 納米和 5 納米工藝技術、納米片晶體管、垂直晶體管 (VTFET)、單芯片 DRAM 和化學放大光刻膠等。
該項目的設計、建模和模擬工作在美國紐約州奧爾巴尼完成，其原型組裝和模塊測試則由位于加拿大魁北克省布羅蒙的IBM實驗室承接，后者是北美地區(qū)最大的芯片組裝和測試基地之一。
[1] 從每比特 5 微焦降至不到 1 微焦。 [2] 數(shù)據(jù)基于使用行業(yè)標準 GPU 和互連裝置對 700 億參數(shù)大語言模型的訓練。 [3] 數(shù)據(jù)基于使用行業(yè)標準 GPU 和互連裝置對超大型大語言模型（如 GPT-4）的訓練。 |
關于IBM
IBM 是全球領先的混合云、人工智能及企業(yè)服務提供商，幫助超過 175 個國家和地區(qū)的客戶，從其擁有的數(shù)據(jù)中獲取商業(yè)洞察，簡化業(yè)務流程，降低成本，并獲得行業(yè)競爭優(yōu)勢。金融服務、電信和醫(yī)療健康等關鍵基礎設施領域的超過 4000 家政府和企業(yè)實體依靠 IBM 混合云平臺和紅帽 OpenShift 快速、高效、安全地實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。IBM 在人工智能、量子計算、行業(yè)云解決方案和企業(yè)服務方面的突破性創(chuàng)新為我們的客戶提供了開放和靈活的選擇。對企業(yè)誠信、透明治理、社會責任、包容文化和服務精神的長期承諾是 IBM 業(yè)務發(fā)展的基石。了解更多信息，請訪問：https://www.ibm.com/cn-zh
媒體聯(lián)絡人
崔守峰，shou.feng.cui@ibm.com
