Не столь давно производители микроэлектроники праздновали выпуск первых чипов для коммутаторов с пропускной способностью 25,6 Тбит/с. Но в эпоху массового распространения 400GbE и начала внедрения 800GbE этого может оказаться недостаточно. Ряд ведущих производителей микрочипов объявил о выпуске нового поколения сетевых ASIC с пиковой способностью коммутации 51,2 Тбит/с. К их числу теперь относится Marvell с чипом Teralynx 10 и оптической платформой Nova.

Источник изображений здесь и далее: Marvell

Чип Teralynx 10 изначально спроектирован, как основа для инфраструктуры класса 800GbE. Чип содержит 512 блоков SerDes со скоростью передачи данных 112 Гбит/с и может быть сконфигурирован как 32 × 1,6 Тбит/с или 64 ×  800 Гбит/с. Впрочем, поддерживаются и менее скоростные конфигурации портов. В новом чипе имеется отдельный встроенный Arm-сопроцессор, а также блок безопасного удалённого управления с интерфейсами PCIe 3.0 x4 и 10GbE.

Блок-схема Teralynx 10

Новая платформа Teralynx ведёт своё происхождение от разработок компании Innovium, приобретённой Marvell в августе 2021 года и даже в новой, высокопроизводительной итерации сохраняет совместимость на уровне ПО. Так, полностью поддерживаются продвинутые функции телеметрии и предиктивной аналитики Teralynx Flashlight.

Также компания анонсировала первое в индустрии поколение гибридной платформы Nova, предназначенной для сетей класса 1,6 Тбит/с (16 × 100G ↔ 8 × 200G). Новые DSP (PAM4) предлагают именно такие оптические трансиверы в форм-факторе OSFP-XD, а 5-нм техпроцесс и использование интегрированной фотоники позволили снизить энергопотребление DSP до менее 28 Вт. Поставки новых чипов должны начаться уже во II квартале.

Разработчики и производители сетевого оборудования продолжают осваивать новые скоростные горизонты. Вслед за Nokia японская компания Fujitsu анонсировала выпуск новой оптической сетевой платформы 1FINITY Ultra Optical System. Новинка отличается повышенной надёжностью и позволяет передавать до 1,2 Тбит/с на каждую длину волны. Будущая модернизация позволит довести эту цифру до 1,6 Тбит/с.

Источник изображений здесь и далее: Fujitsu

Начало поставок новой платформы компания наметила на первую половину текущего года, целевой аудиторией являются провайдеры коммуникационных и облачных услуг. Первыми получат оборудование 1FINITY Ultra японские клиенты Fujitsu, затем североамериканские и европейские. В основе платформы — новое поколение DSP и транспондеров, выполненное с использованием 5-нм техпроцесса. Переход с 7 на 5 нм позволил поднять производительность одной связки DSP+CDM со 100 до 135 Гбод, а удельное энергопотребление сократилось на 39 %.

Технология Fujitsu C+L ROADM позволит задействовать несколько длин волн в одном решении, причём из-за улучшенного соотношения сигнал/шум у оптических усилителей Fujitsu максимальная дистанция для соединения со скоростью 800 Гбит/с вырастет на 40 %. Для скорости 400 Гбит/с предел расстояния без необходимости регенерации сигнала составит 6000 км.

В составе платформы уже объявлены транспондеры 1FINITY T900/T950 и линейные системы 1FINITY L900. Интересно, что охлаждение у новых платформ Fujitsu жидкостное. По производительности оно вдвое лучше воздушного. Компания обещает, что использование СЖО продлит жизненный цикл оборудования при сокращении затрат на обслуживание. Официальная презентация новинки состоится на конференциях MWC в Барселоне и OFC в Сан-Диего.

Разработчики и производители сетевого магистрального оборудования активно осваивают новые технологии, позволяющие добиться более высокой пропускной способности при прежнем или даже меньшем уровне энергопотребления. Компания Nokia анонсировала новое поколение оптической платформы PSE-6s, обладающее уникальными характеристиками.

Как полагают аналитики, объём передаваемых по оптическим магистралям данных в течение ближайших четырёх лет будет расти на 40 % в год. И появление Nokia PSE-6s является ответом на этот вызов. По словам создателей, новые оптические движки в три раза производительнее моделей прежнего поколения.

Источник здесь и далее: Nokia

PSE-6s способны эффективно обслуживать каналы 400/800 Гбит/с на дистанциях свыше 2000 км, а благодаря уникальному межчиповому интерфейсу новинка является масштабируемой — это, как заявляет Nokia, первое в индустрии решение для когерентных оптических сетей с пропускной способностью 2,4 Тбит/с.

Так, Nokia PSE-6s использует 5-нм DSP, объединённые с фирменной кремниевой фотоникой CSTAR, что позволяет добиться скорости до 1,2 Тбит/с на длину волны при общей производительности PSE-6s на уровне 130 Гбод. При этом использование новых техпроцессов позволило снизить потребление новинки на 60 %.

Новые модули Nokia позволяют обойтись без дорогостоящих точек регенерации сигнала на дальних дистанциях, что существенно снизит расходы

Новые модули совместимы с платформами Nokia серии 1830 PSS, 1830 PSI-M и 1830 PSS-x, что позволяет сетевым операторам легко модернизировать свои платформы путём замены прежнего поколения оптических модулей на PSE-6s. Ряд крупных владельцев сетей уже высказали свою заинтересованность в новинке Nokia. Ожидается, что оборудование на базе PSE-6s будет доступно для тестирования во второй половине текущего года.

Сетевые технологии класса 800G продолжают активно внедряться в жизнь. Компания Infinera объявила о намерении модернизировать подводный кабель Unity с помощью новых оптических решений ICE6 800G. Этот кабель соединяет США и Японию, его длина составляет 9620 км. Приёмопередающие станции этой системы расположены в Лос-Анджелесе, штат Калифорния и в городе Чикура неподалёку от Токио.

Источник: Submarine Cable Networks

Кабель Unity был введён в эксплуатацию в 2010 году, запланированная пропускная способность тогда составляла 4,8 Тбит/с при производительности каждой пары волокон на уровне всего 960 Гбит/с. Применение технологии ICE6, включающей в себя использование нескольких поднесущих, упреждающую коррекцию ошибок и высокоинтегрированной фотоники позволит поднять пропускную способность каждой пары волокон до 7,4 Тбит/с. Это сделает Unity одной из самых быстрых систем связи между Азией и Северной Америкой.

Технология Infinera ICE6 позволяет существенно повысить плотность передачи данных. Источник: Infinera

Фотонные трансиверы ICE6 GX, разработанные Infinera, базируются на 7-нм техпроцессе и продвинутых элементах фотоники PIC, оптический движок при этом позволяет одновременно использовать две независимых длины волн. Модернизация Unity позволит продлить срок эксплуатации кабеля на четверть. Таким образом, видно, насколько продвинулись с 2010 года сетевые технологии: скорость выросла на порядок и сегодня реально получить производительность целого межконтинентального кабеля лишь для пары входящих в него волокон.

Генераторы случайных чисел используются в вычислительной технике едва ли не с момента её появления — без этого элемента немыслимы, к примеру, современная криптография или целый ряд алгоритмов. Генераторы истинно случайных чисел недешёвы, поэтому в индустрии широко применяется псевдослучайная генерация, которая, впрочем, не слишком энергоэффективна.

К тому же выдача таких генераторов потенциально содержит артефакты, могущие негативно влиять на статистику и даже служить источником уязвимостей. Компания Quside предлагает своё решение данного вопроса. Это первый, по словам создателей, в мире «ускоритель случайности» Randomness Processing Unit — RPU One.

Появление такого устройства в эру гиперскейлеров и облачных сервисов ожидаема, тем более что, по словам разработчиков, в нагрузках с элементами стохастических вычислений псевдослучайная генерация может задействовать до 50 % всех вычислительных ресурсов. Применение RPU One поможет этого избежать. Выигрыш в производительности при использовании нового ускорителя может составлять до 10 раз, а в энергоэффективности — до 20 раз. Правда, создатели сравнивают свой продукт с CPU, а не с другими аппаратными генераторами.

Выглядит новинка как обычная плата расширения с интерфейсом PCI Express. В основе, по всей видимости, лежит более ранняя разработка компании, чипсет Quside QN100, описание которого есть на сайте. Чип этот интересен тем, что использует для генерации потока случайных чисел квантовые эффекты.

Применение RPU One может высвободить немало вычислительных мощностей

В QN100 использованы фотонные элементы. Разработчики заявляют о более чем 95% непредсказуемости, а производительность одного чипа может достигать 1 Гбит/с. Но для RPU One заявлена производительность 10 Гбит/с, чего достаточно для обслуживания массы виртуальных машин. Вмешательство в код прикладного ПО при этом требуется минимальное. Новинка будет доступна как для локального развёртывания, так и у облачных партнёров Quside.

Разработки Ayar Labs в сфере кремниевой фотоники заинтересовали американскую военно-промышленную корпорацию Lockheed Martin, объявившую о планах использовать её технологию для оптического ввода-вывода в своих будущих оборонных платформах. Компании сотрудничают с 2020 года, когда Lockheed Martin объявила о «стратегических инвестициях» в стартап с целью дальнейшей разработки чиплета-трансивера TeraPHY.

Lockheed Martin сообщила, что технология Ayar Lab может в конечном итоге найти применение во многих системах Министерства обороны США для захвата, оцифровки, транспортировки и обработки спектральной информации с меньшей задержкой и на более дальние расстояния по сравнению с существующими решениями. Lockheed Martin не стала конкретизировать направления применения этой технологии, лишь отметила возможность её использования для военной разведки и обработки радиосигналов.

Источник: Ayar Labs

Ранее говорилось об использовании оптического интерконнекта в цифровых радиолокационных приложениях для поддержки больших объёмов данных. Тем не менее, военная разведка включает в себя широкий спектр технологий, обычно используемых в оборудовании для наблюдения, таких как дроны, спутники-шпионы и радарные массивы — во все эти области Lockheed Martin инвестирует значительные средства.

Технический директор Lockheed Martin Стив Уокер (Steve Walker) отметил, что для успеха миссий её клиентов требуются инновационные системные архитектуры в сочетании с искусственным интеллектом и методами машинного обучения. «Решение Ayar Labs для оптических интерконнектов обеспечивает необходимую технологию для обработки спектральной информации с большей скоростью и меньшей задержкой для систем следующего поколения», — добавил он.

Кремниевая фотоника продолжает бурно развиваться: уже созданы все основные компоненты, а на Hot Chips 34 компания Lightmatter продемонстрировала полноценный внутричиповый фотонный интерконнект. Однако широкое распространение фотоники немыслимо без соответствующей оптико-механической инфраструктуры, в частности, кабелей и разъёмов.

И именно такой разъём, способный стать основой нового стандарта, на мероприятии Intel Innovation 2022, и был продемонстрирован в действии. За основу Intel взяла оптический модуль MPO/MTP, сделав его более компактным для удобного использования в качестве межчипового соединителя.

Источник изображений: Serve The Home

Применение такого разъёма позволит гибридным чипам избавиться от ненадёжных волоконно-оптических «хвостов» с более крупными соединителями на концах. При повреждении хотя бы одного волокна в «хвосте» фотонные чипы старого типа фактически приходят в негодность, особенно если излом произошёл непосредственно в месте выхода волокна из упаковки. А вот с новым разъёмом достаточно будет заменить кабель.

Фотоника интегрирована в чип, но «хвосты» неудобны и потенциально ненадёжны

В своей демонстрации Intel показала гибридный чип XPU, оснащённый новым разъёмом и не требующий электрических межчиповых соединений, на которые приходится солидная доля электрической мощности и тепловыделения, особенно в современных высокоскоростных коммутаторах. При этом отчетливо видны посадочные места для пары аналогичных разъёмов.

Intel XPU. Рядом с новым оптическим разъёмом видны места для двух аналогичных соединителей

Теоретически использование такой технологии способно сильно преобразить внутренний вид и архитектуру вычислительных систем нового поколения — вся периферия, включая память, накопители и ускорители будет подключаться к процессору посредством новых оптических разъёмов без традиционных электрических дорожек на печатных платах.

Это существенно упростит конструкцию, а также снизит энергопотребление и тепловыделение таких систем. Также широкое применение интегрированной фотоники позволит добиться большей гибкости: к примеру, если сейчас объём высокоскоростной памяти типа HBM ограничен габаритами упаковки чипа, то в будущем дополнительные модули с интегрированным фотонным трансивером можно будет просто подключать с помощью системы оптических разъёмов, разработанной Intel. В числе прочего, внедрение нового межчипового оптического интерконнекта облегчит путь к построению HPC-систем зеттафлопсного класса.

На конференции Hot Chips 34 компания Lightmatter, занимающаяся созданием фотонного ИИ-процессора, рассказала о своей новой разработке, Lightmatter Passage, открывающей для чиплетов эру фотоники. Как известно, переход на чиплеты позволил разработчикам сложных чипов сравнительно малой кровью обойти ограничения, накладываемые технологиями на создание монолитных кристаллов большой площади. Однако современный высокоскоростной межчиплетный интерконнект всё равно весьма сложен и потребляет сравнительно много энергии. И по мере роста количества чиплетов на общей подложке проблема будет лишь обостряться.

Изображения: Lightmatter (via ServeTheHome)

Но технология Lightmatter Passage, призванная заменить электрический интерконнект оптическим, позволит эту проблему обойти. По сути, Passage — универсальная кремниевая прослойка, содержащая в своём составе лазеры, оптические модуляторы, фотодетекторы, волноводы, а также классические транзисторы для сопутствующей логики. Поверх этой прослойки Lightmatter и предлагает размещать чиплеты любой архитектуры.

Электрическая часть Passage имеет изменяемую конфигурацию и в текущей реализации поддерживает установку до 48 чиплетов (в виде матрицы 6×8). Производится такая прослойка из 300-мм кремниевой пластины SOI, верхний и нижний слои Passage имеют классические контакты для чиплетов и установки на PCB соответственно. При этом максимальная подводимая электрическая мощность может достигать 700 Вт. Вся же коммуникация чиплетов между собой происходит внутри и является оптической.

Матрица фотонных волноводов, плотность которой в 40 раз выше, чем у традиционных оптоволоконные технологий, обеспечивает латентность одного перехода на уровне менее 2 нс. Как заявляют разработчики, расстояние между чиплетами при этом роли не играет — для любого сочетания пары точек «входа» и «выхода» сигнала значение задержки одинаково. Высокая плотность волноводов позволяет «накормить» каждый чиплет потоком данных до 96 Тбайт/с, а внешние каналы Passage позволяют связать чипы с другими компонентами системы на скоростях до 16 Тбайт/с.

Основой данной технологии является фирменная разработка компании, позволяющая точно «сшивать» в пределах нескольких слоев SOI-кремния электрические соединения с многочисленными волноводами. Уже существующая в кремнии тестовая реализация Passage потребляет 21 Вт, позволяет устанавливать до 48 чиплетов площадью по 800 мм², обеспечивает каждое посадочное место 32 каналами с пропускной способностью 1024 Тбит/с, причём топологию интерконнекта можно динамически менять.

Тестовя подложка Passage, полученная из 300-мм пластины, содержит 288 лазеров мощностью 50 мВт каждый. Всего в состав системы входит 150 тыс. компонентов, и это заявка на абсолютный рекорд для фотонных чипов. Кроме того, новая технология совместима со стандартом UCIe — говорится о скорости 32 Гбит/с на линию. Впрочем, в случае простого SerDes-соединения, как считают создатели, этот показатель можно поднять до 112 Гбит/с.

Фотоника сулит немалые преимущества, и особенно ярко они проявятся в случае достижения высокой степени интеграции — если внешний источник лазерного излучения может существенно усложнить систему и сделать её более дорогой, то интегрированный на кремниевую пластину, напротив, многое упрощает.

Неудивительно, что разработчики, бьющиеся над созданием гибридных фотонных чипов, нацелены именно на такой вариант. Ранее мы рассказывали о варианте Synopsys и Juniper Networks, которые также планируют использовать интегрированные лазеры в рамках возможностей техпроцесса PH18DA компании Tower Semiconductor, а сейчас успеха добилась корпорация Intel.

Традиционные оптические модуляторы достаточно громоздки. Источник: Intel Labs

Научно-исследовательское подразделение компании, Intel Labs, сообщает, что на базе «существующего кремниевого-фотонного техпроцесса для пластин диаметром 300 мм» удалось создать интегрированный лазерный массив, работающий с восемью длинами волн. Это хорошо отработанная технология, на её основе Intel уже производит оптические трансиверы, что открывает дорогу к достаточно быстрому началу производству фотонных чипов со встроенными лазерными массивами.

Вариант Intel использует компактные кольцевые микромодуляторы. Источник: Intel Labs

В технологии используются лазерные диоды с распределённой схемой обратной связи (distributed feedback, DFB), которая позволяет добиться высокой точности как в мощности излучения в пределах 0,25 дБ, так и в спектральных характеристиках, где отклонения в границах используемых спектров не превышают 6,5%. Достигнутые параметры превышают аналогичные показатели классических полупроводниковых лазеров.

Компания также отмечает, что применённая ей новая технология кольцевых микромодуляторов, отвечающих за конверсию электрического сигнала в оптический, существенно компактнее более традиционных решений других разработчиков. Такой подход позволяет поднять удельную плотность фотонных линий передачи данных, то есть, при прочих равных условиях, чип, оснащённый интерконнектом Intel, будет иметь более «широкую» оптическую шину с более высокой пропускной способностью.

В технологии используется массив из 8 лазеров. Источник: Intel Labs

Технология гибридной фотоники со встроенными лазерами, использующая мультиплексирование с разделением по длине волны (dense wavelength division multiplexing, DWDM), делает высокоскоростной оптический интерконнект возможным, но до успеха Intel данная технология упиралась именно в точность разделения спектра и в достаточно высокое энергопотребление источников излучения.

В настоящее время уже ведутся работы по созданию специального чиплета, который позволит вывести оптический интерконнект за пределы кремниевой пластины, а это в перспективе даст возможность как для фотонного соединения между центральным процессором и памятью или GPU, так и для реализации будущих ещё более скоростных версий стандарта PCI Express или его наследника.

Дорога к высокоскоростному оптическому интерконнекту открыта! Источник: Intel Labs

Ayar Labs, один из пионеров в освоении гибридных электронно-оптических технологий однако считает, что у подхода Intel есть и недостатки. Сам по себе оптический интерконнект, конечно, может быть производительнее классического, и к тому же он не подвержен помехам. Однако лазерные диоды по природе своей достаточно капризны, а глубокая интеграция источника излучения в чип при выходе хотя бы одного лазера из строя делает всю схему бесполезной. В своих решениях Ayar Labs полагается на внешний лазерный модуль SuperNova.

За фотоникой будущее сетей и интерконнектов, это становится всё очевиднее по мере того, как игроки на рынке микроэлектроники создают альянсы для освоения этой «территории». Уже известен союз Ayar Labs и NVIDIA, теперь очередь дошла до Synopsys и крупного производителя сетевого оборудования Juniper Networks.

Эти компании объявили о заключении стратегического союза в области освоения фотонных технологий. Детищем альянса стала новая компания, названная OpenLight, в её состав вошло одно из подразделений Juniper, однако 75% активов OpenLight принадлежит Synopsys.

Источник: OpenLight

Название хорошо отражает цели OpenLight — речь идёт о разработке архитектурно открытых решений кремниевой фотоники, которые могут создаваться силами сторонних компаний на мощностях Tower Semiconductor. В планах компании создание высокопроизводительных фотонных чипов для рынка телекоммуникаций, систем лазерной навигации, здравоохранения, высокопроизводительных вычислений и оптических процессоров.

Сердцем этих разработок станет электронно-оптический модулятор на основе фосфида индия (InP), обеспечивающий меньшие потери сигнала и лучшие характеристики в сравнении с традиционными кремниевыми аналогами. Ключевой особенностью также считается использование интегрированного лазера, чего нет, например, у Ayar Labs. Технологический процесс PH18DA, используемый Tower Semiconductor позволит добиться такой интеграции, что в перспективе сделает кремниевую фотонику дешевле и доступнее.

Технологии OpenLight позволят создавать монолитные электронно-оптические чипы. Источник: OpenLight

Рабочие образцы первых оптических трансиверов класса 400G/800G на базе новой технологии, по словам представителей OpenLight, можно будет ожидать уже летом этого года. Тогда же компания обещает выпустить и первый многокомпонентный «кремний» на базе техпроцесса PH18DA — на одной пластине будут находиться чипов разных разработчиков. Такой подход позволит оптимизировать производственные расходы и снизить себестоимость готовых изделий.

Стоит отметить, что Tower Semiconductor вскоре будет приобретена Intel, которая (как и NVIDIA) кровно заинтересована в разработке кремниево-фотонных технологий и уже успела инвестировать в Ayar Labs вместе с GlobalFoundries, HPE, NVIDIA и Lockheed Martin. В прошлом году Cisco, ещё один крупный производитель сетевого оборудования, поглотил Acacia, компанию-разработчика в области кремниевой фотоники.