光学和电气开始在更深层次上交叉，特别是随着数据中心对 3D-IC 和 AI/ML 培训的日益关注，推动了芯片设计方式以及这些截然不同的技术如何集成在一起的变化。
这种转变的根源是人工智能/机器学习的功率和性能需求。现在，仅仅训练一个模型就需要占用数据中心的几栋大楼。这些性能需求，加上数据中心本身的爆炸性增长——数据中心已经从独立的建筑发展到分布在多个电网的地理分布式网络，需要专用光纤网络来处理大量带宽——都要求光子行业进行创新。
为了应对海量数据和不断扩展的网络基础设施，以太网速度正在迅速从 800 Gb/s 标准(IEEE P802.3df 工作组于 2024 年 2 月批准)提高到 2026 年的 1.6Tb/s(计划)。除此之外，芯片架构师和工程团队正在努力消除系统中的每一点延迟。但即便如此还不够，这就是光通信突然受到更多关注的原因。
十多年前，有人预测光学将如何在数据中心内变得至关重要。Alphawave Semi首席技术官托尼·陈·卡鲁松 (Tony Chan Carusone) 表示：“现在，有些人非常高兴地看到光学在一些大规模应用的中心占据了应有的位置——比如人工智能/机器学习等惊天动地的事物。” “我们所有人都在尝试使用水晶球来了解哪些技术将得到广泛应用，以及应该在哪些方面开发更量身定制的解决方案。”
主要关注领域是电光开关。光学器件是长距离的最佳解决方案，正确调整的电子器件可以降低延迟和阻抗。它们结合在数据中心机架和集群中，使用带有电气迹线的 ASIC 交换机，该开关一直贯穿整个电路板到前面板，在前面板插入可插拔光学元件以执行电光转换及其相反操作。在过去，这被认为是一种高效而优雅的解决方案，但所有这些毫米加起来，使得传统的系统架构变得不可持续。
Ansys首席研发工程师 Ahsan Alam 表示：“在某个时间点，仅仅试图将信号从 A 点有效地传送到 B 点而不会出现任何错误，您的所有功率预算就会被耗尽。” “这就是所谓的‘权力墙’。由于您的所有电量都用于将信号从一个芯片移动到另一颗芯片，或者从一个芯片移动到另一个芯片，因此您没有剩余电量在 CPU、GPU 或 ASIC 中进行实际计算。”
CPO 和 IPO
业界正在寻找解决电力墙问题的不同方法。“一种方法是共同封装光学器件，” Synopsys高速 SerDes IP 解决方案首席产品经理 Priyank Shukla 说道。“不用在表面积有限的机架单元边缘进行电光转换，而是将光纤带到封装本身并消除边缘的转换。”
尽管如此，可插拔器件与共封装光学器件 (CPO) 之间的争论仍在继续。一方面是对简单性和功能良好的遗留系统的争论，以及长期建立的 IEEE 标准。另一方面是采用最近批准的标准的新方法，可以提高性能并降低成本。
光学系统营销和运营副总裁 Manish Mehta 表示：“共同封装的光学架构有助于将 ASIC 与光学引擎集成在同一基板上，并消除信号传输到前面板可插拔收发器时产生的信号损伤。”在博通。“由于简化了 CPO 基板上的信号路径，通过移除光学 DSP 并在光学引擎中使用 CMOS 电子 IC 组件，可以降低 70% 的光学互连功率。”
与此同时，线性驱动光学器件已成为一种可能的独立选项，也是可插拔光学器件和共同封装光学器件之间的过渡，其中 ASIC 驱动光学器件而不是 DSP。这一想法由NVIDIA 于 2023 年在 OIF 上首次提出，迄今为止已经推出了许多变体，希望能够在降低功耗的情况下创建更快的连接。
“NVIDIA 的 Jensen 在他的GTC 主题演讲中表示，要从 IC 转向光子学，您需要在光纤的一侧安装发射器，在另一侧安装接收器。他们正在消除收发器并直接使用铜缆。”Ansys 总监 Rich Goldman 说道。“这个想法很有价值，因为收发器必须做一些工作，这会减慢速度并消耗更多电量。这意味着我们正在讨论芯片一直到系统，而且它们都是相互关联的。我们已经讨论了很长时间。我们现在就到了。”
随着设计的不断发展，光学互连的选择现在是传统的可插拔器件、CPO 和介于两者之间的线性驱动可插拔光学器件 (LPO)。对于那些还没有准备好完全过渡到 CPO 的人来说，LPO 的优势在于熟悉的外形尺寸，损失较少。
“这是新的低功耗互连，”Synopsys 的 Shukla 说。“Meta 和其他超大规模企业已公开要求线性驱动，而在电光转换中，您可以消除中间的重定时器，因此电气驱动器可以直接驱动光学组件，这就是您在信号链中节省电力的方法-光学转换。但这使得 SerDes 设计更具挑战性。”
