Bant genişliği 5,12 Tbps'ye kadar! FPGA entegre fotonik çip ilk kez, numuneler yakında gönderilecek
Bu makale wikichip'ten EETOP tarafından çevrilmiştir.
Yüksek performanslı bilgi işlem, yüksek performanslı G / Ç gerektirir. Endüstri bir süredir yüksek bant genişliğine sahip uzak çözümleri geliştirmek için çok çalışıyor. Geçen yıl Intel ve Xilinx, 56G I / O FPGA'ları tanıttı. Uzun mesafeli 112G SerDes PHY duyuruldu ve yaklaşan 5nm düğümünün ortaya çıkmasıyla durum daha iyi olabilir. Daha ileriye bakıldığında, 112G üzerindeki sektör yol haritası belirsizliklerle dolu. Onlarca metre veya daha uzun mesafeler için, elektrik sinyal iletişimi yerine optik iletişim kullanılacaktır. Ne yazık ki, bu ürünler genellikle ters ilişkilidir. Fiziksel kalıptan ne kadar uzak olursa, iletim maliyeti o kadar yüksek olur. Benzer şekilde, daha yüksek veri aktarım hızları genellikle yoğunluğu feda eder, bu nedenle monolitik silikon fotonik yongalar bilgi işleme için daha iyi bir çözüm olarak görülür.
Geçtiğimiz on yılda, çok sayıda işletme tarafından yüksek entegrasyona ulaşmak için çok sayıda yöntem tanıtıldı. TSMC CoWoS ve Samsung I-Cube gibi silikon aracılar ve Intel gibi EMIB, bu paketleme teknolojileri aynı çip üzerinde birden fazla kalıbı sıkı bir şekilde entegre edebilir. Piyasadaki ilk ürünler, DRAM yongalarını doğrudan CPU'nun yanında kapsülleyerek bant genişliğini artırdı ve güç tüketimini azalttı, böylece yüksek bant genişliğine sahip DRAM gerçekleştirdi. Hafızaya ek olarak, çipin işlevselliğini geliştirmek için bir pakette birden fazla niş kullanım için (bu durumda daha uygun bir şekilde chiplets olarak adlandırılır) yongaların kombinasyonunu desteklemek için büyük bir çaba gerekir. Bugün, çoğu yonga tabanlı tasarım yalnızca kendi geliştirdiği chiplets içerse de, gelecekteki tasarımlar birden fazla şirketin kalıplarını içerebilir. Bu tür ilk çalışma, birden çok AIB bağlantısı içeren tek bir FPGA yongasından oluşan Intel'in Stratix 10 FPGA serisidir. Intel, farklı işlevlere sahip çeşitli küçük yongalar sağlayabilir. Son zamanlarda OCP, sektör genelinde chiplet standartlarını teşvik etmek için kendi çalışma grubunu kurduğunu duyurdu.
Ayar Labs, Kaliforniya merkezli bir silikon fotonik start-up şirketidir. Şirket, A Serisi finansmanda 24 milyon dolar topladı. Ayar, ağ yerine işlemci pazarını takip etmek için alışılmadık bir yaklaşım benimsedi. Önerileri basittir - daha iyi bant genişliği ve enerji verimliliği elde etmek için optiği hesaplama çipine olabildiğince yakın yerleştirin. Başka bir deyişle, neredeyse monolitik fotonik entegrasyon elde etmek, diğer paketlenmiş bileşenlere eşdeğer bit başına bir iletim enerjisi verimliliği elde etmek ve onlarca ila yüzlerce metreye yayılabilen uzun mesafeli iletişim sağlamak gerekir.
TeraPHY
Kısaca TeraPHY, Terabit PHY Ayar Labs'ın ilk ürünüdür. Bu, paketlenmiş bir sistemde bir CPU, GPU veya FPGA ile entegre edilmek üzere tasarlanmış bir prototip fotonik çiptir. Re sadece küçük bir problemdir - optikler ve elektronikler birbirleriyle tamamen iletişim kuramazlar. İşin sırrı Ayar'ın tasarımı, GlobalFoundries'in 45nm RF SOI (İzolatör Üzerinde Radyo Frekansı Silikon) sürecini kullanıyor ve bu da optik bileşenleri ve karmaşık devreleri optik cihazların etrafına entegre eden monolitik entegre tasarımlar geliştirmelerine olanak tanıyor. Kısaca: Bu, bir tarafta elektriksel I / O arayüzleri ve diğer tarafta optik arayüzler sağlamalarına izin verir.
Intel, katman 10 FPGA ailesi etrafında kapsamlı bir yonga mimarisi geliştirdi. Ancak tüm bu çipler şirket içinde geliştirilir. İyi haber şu ki, bu mimari ana FPGA yongası ile çeşitli yongalar arasında iletişim kurmak için AIB arayüzünü kullanıyor. DARPA ERI projesinin bir parçası olarak, arayüz de açık bir standart olarak açılmıştır, bu nedenle artık Intel veya EMIB patenti değildir. Stratix 10 çoklu çip mimarisi, arayüz uyumlu olduğu sürece, TeraPHY tarafından sağlanan işlevlere sahip olmasını sağlar - bir elektronik alıcı-verici modülünü bir TeraPHY yonga ile değiştirin. Bu, Ayar Labs tarafından seçilen rotadır.
Elektrik sinyali arayüzü
TeraPHY için Ayar, 24 kanal AIB arayüzünü entegre eder. Aslında, sütun başına izin verilen maksimum kanal sayısı 24 kanaldır (ve AUX blokları). Her kanal bir grup sinyali temsil eder. Mevcut çarpma aralığı 55 mikron olduğunda, bu yirmi veri sinyali gönderme ve yirmi veri alma sinyali anlamına gelir. Çalışma hızı 2GT / s'ye kadar. Ayar, TeraPHY chiplets'ları için toplam arayüz bant genişliğinin 960Gbps olduğunu ve bunun da 2GT / s AIB Plus spesifikasyonu yerine 1GT / s AIB temel spesifikasyonunu kullandıklarını gösterdiğini söyledi.
AIB arayüzünün kullandığı çarpma aralığı çok küçük olduğu için silikon üzerinde kullanılabilir. Stratix 10 durumunda bu, Intel'in EMIB teknolojisinin kullanılması anlamına gelir. Aşağıdaki tamamlanmamış pakette, büyük Stratix 10 FPGA yongasının sağ tarafında iki TeraPHY çıtası vardır.
EMIB'nin konumu, tüm kalıbın kenarlarında açıkça görülebilir. FPGA'nın diğer ucunda başka küçük yongalar olabileceğini unutmayın.
Optik sinyal I / F
AIB arayüzü ile optik arayüz arasında, AIB kanalını optik kanala eşleyen yapılandırılabilir bir çapraz tutkal bağlantı mantığı bulunur. Çapraz çubuk, birden çoğa bağlantılara izin verir. Tek bir elektrik sinyali kanalı, birden çok optik arayüz üzerinden gönderilebilir ve bunun tersi de geçerlidir. TeraPHY chiplet, on foton makro çiftini, gönderme için bir makro ve alma için bir makro olmak üzere bütünleştirir.
Çipin içindeki ışık dalga kılavuzundan geçer. Işığın özelliklerinden dolayı, birden fazla dalga boyuna sahip ışık, birbirini etkilemeden aynı dalga kılavuzu boyunca yayılabilir. Dalga boyu bölmeli çoğullama (WDM) teknolojisi, aynı fiber optik bağlantı üzerinden iletilebilen veri miktarını artırmak için dalga kılavuzuna bu tür birden çok dalga boyunu eklemek için kullanılır. Bu hedefe ulaşmak için Ayar, verileri ışığa veya elektriğe dönüştürmek için dalga kılavuzundan farklı dalga boylarını kullanarak aynı dalga kılavuzu üzerinde birden fazla mikro halka rezonatör kullanır. Her düşük güçlü silikon fotonik halka rezonatörü, çalıştıkları belirli dalga boyuna kilitlenir. Bu halka rezonatörleri, kalıp üzerindeki dijital mantığın sıfırlanmasıyla arayüz oluşturan CMOS sürücüleri tarafından çalıştırılır.
Her makro çifti, bir dizi PLL, TRXSlice ve hepsinin çalışması için gereken diğer mantığı içerir. GDSII ekran görüntüsüne bakarsanız, her dalgaboyu için bir tane olmak üzere sekiz TRX dilimi elde edebilirsiniz. Her makrodaki çeşitli PLL'leri, veri hızının 2x'e kadar artışlarla yapılandırılabileceği şekilde tasarlayın. Mevcut TeraPHY chiplets 16 Gbps, 25.6 Gbps ve 32Gbps'ye kadar veri hızlarına izin verir. Her dalga kılavuzunda sekiz dalga boyu olduğundan, makro başına 128 Gbps ile 256 Gbps arasında yapılandırılabilir bir toplam bant genişliğine bakıyorsunuz.
Mevcut TeraPHY chiplet 10 makro çifti içerir. Bu, tüm optik makrolarda 2,56 Tb / sn'ye kadar toplam bant genişliği sağlayabileceği anlamına gelir. Bu, AIB bağlantısındaki tüm işlevlerden çok daha fazlasıdır. Neden bu kadar dengesiz oldukları açık değildir, ancak tek bir AIB kanalı birden fazla optik kanala yönlendirilebildiğinden, bu tür bir iletişim gerçekleştirilirken bir topoloji olabilir. Örneğin, bir SoC trafiği diğer iki SoC'ye yönlendirir. Alıcı uçta hata düzeltmeye gerek olmadığı için optik kanalda NRZ modülasyon formatını kullandığını eklemeye değer.
Intel ile ortaklık kurmak için iki TeraPHY, Stratix 10 FPGA'lara entegre edildi. Bu, her FPGA'nın toplam optik bant genişliğinin 5,12 Tbps olduğu anlamına gelir. 50 milimetre kareden küçük iki küçük yonga etkileyici!
Peki onu çipten fiziksel olarak nasıl çıkarırsınız? Giriş veya çıkış dalga kılavuzu, ışığın dalga kılavuzundan belirli bir açıyla dağılmasına izin veren, üst yüzeyinde çıkıntılar ve oluklar bulunan bir cihaz olan ızgaralı kuplörde sona erer. Burada, fiber dağınık ışığı toplamasına izin verecek kadar yakına çekilir.
Intel Stratix 10 FPGA'lar için ışık üstten yayılır. Başka bir deyişle, TeraPHY bileşenleri, çipin arkasından optik fiberlerin hizalanmasını ve bağlanmasını içerir. Fiber optik konektör, kapağın üst kısmındaki bir açıklıktan doğrudan TeraPHY yongasına geçer.
Intelin FPGA ürün stratejisi ve yenilikten sorumlu başkan yardımcısı Vince Hu, "Veri merkezi iş yüklerinde bir artış görüyoruz. Bant genişliği gereksinimleri yetersiz ve cihazları raf düzeyinde mesafelerde bağlamaları gerekiyor." Bunu yapmanın en iyi yolu, optik ara bağlantılar kullanmaktır ve Ayar Labs chiplets kullanarak, düşük gecikme süresi ve düşük güç tüketimi ile çok yüksek bant genişliği elde edebiliriz. "
AIB'nin gecikmesi son derece düşük olduğu için, yalnızca yaklaşık 3ns, AIB üzerinden TeraPHY'ye ve AIB aracılığıyla gidiş-dönüş iletişiminin gecikmesi 10 ns'den azdır ve metre başına gecikme yaklaşık 5 ns'dir. Optik fiber (tüm sistemin yapılandırmasına bağlı olarak), 2 kilometre uzunluğa kadar. TeraPHY'nin toplam enerji verimliliği 5 pJ / bit'in biraz altındadır. Bu sayı, AIB arayüzü, çapraz çubuk anahtarı ve optik makro bloğu içerir.
SuperNova lazer
Bahsetmeye değer şey, çipin çalışma sıcaklığıdır. FPGA'nın gücü 300 watt'a kadar çıktığı ve TeraPHY 4.7W arttığı için yonganın ısısı çok yüksek olabilir - Ayar'ın bildirdiği rakam 90 santigrat dereceye kadar çıkabilir. GlobalFoundries 45 RF SOI, Sınıf 1 (-40ºC ila + 125ºC) ve Ayar'ın kendi TeraPHY chiplets gereksinimlerini karşılamaktadır ve tasarım, termal değişiklikleri izleyip yönetebilen ek kontrol ayarlama mantığı aracılığıyla bu sıcaklıklara dayanacak şekilde tasarlanmıştır. Ne yazık ki, ışık kaynağı (lazer) için, bu sıcaklıklardan zarar görebilir ve bu da cihazın güvenilirliğini etkileyebilir.
Bu nedenle Ayar Labs, SuperNova adında harici bir lazer geliştirdi. SuperNova şu anda sekiz ve on altı dalga boyunu desteklemektedir. Dalgaboyları çoklanır ve sekiz veya on altı çıkış portuna yükseltilir. Diğer bir deyişle Ayar'ın mevcut SuperNova lazeri, toplam 8.192 Tbps bant genişliği ile toplam 256 kanalı desteklemektedir. Lazerin güç verimliliği 1-2 pJ / bit'dir.
Potansiyel yol haritası iyileştirmeleri
Ayar Labs TeraPHY chiplets entegre fotoniğin potansiyelini gösterir. Benzer ürünler için bu rakam etkileyici. Birinci nesil EMIB'nin 55 mikronluk mikro tampon aralığındaki Stratix 10'daki birinci nesil AIB arayüzünün enerji verimliliği yaklaşık 0,85 pJ / bit'tir. Intel son zamanlarda bu sayıyı 0,5 pJ / bit veya daha fazla azaltma planları hakkında çok şey söyledi. Daha yüksek yoğunluktaki mikro çarpmalarla birleştirilen geliştirilmiş enerji verimliliği, mevcut prototiplere benzer güçle daha yüksek bant genişliği elde edebilmelidir. Ek olarak, Ayar'ın mevcut TeraPHY yongası, WDM'yi aynı dalga kılavuzunda sekiz dalga boyunda sekiz bit göndermek için kullanır. Daha fazla kanal eklemeyeceklerini varsaysak bile, aslında TeraPHY yonga grubundaki dalga boylarının sayısını iki katına çıkarabilirler, böylece optik G / Ç bant genişliğini iki katına çıkarabilirler. Ayar'ın SuperNova lazeri zaten 16 dalga boyunu destekliyor. Supercomputing 2019'da Ayar Lab, 2020'nin ilk çeyreğinde numune göndermeye başlayacağını duyurdu.
Orijinal: https://fuse.wikichip.org/news/3233/ayar-labs-realizes-co-packaged-silicon-photonics/2/
