【光電通信】AI如何改變光網絡的未來？

今日光電 2024-07-09 18:01

需要最新微控制器編程規范與調試指南？ 一站式破解芯片研發全流程痛點，西門子 EDA Forum 2026等你來

?今日光電?

? ? ?有人說，20世紀是電的世紀，21世紀是光的世紀；知光解電，再小的個體都可以被賦能。追光逐電，光贏未來...歡迎來到今日光電！

----追光逐電光贏未來----

隨著大型企業及超大規模網絡對人工智能工作負載和高帶寬需求的日益增長，對光纖連接技術的需求也在顯著上升。思科光學系統的高級副總裁兼總經理Bill Gartner指出，由于光纖具有卓越的傳輸能力，它已經成為連接數據中心、服務器、路由器、交換機以及網絡架構中廣泛分布的各個組件，以實現遠距離高速數據傳輸的首選技術。

盡管如此，光網絡的全面擴展并非沒有挑戰。

供應商們正積極推進400G、800G以太網等更高速度的技術發展，并深化技術研發，以支持人工智能網絡的快速增長。同時，他們還在努力優化光網絡和接口的能效，旨在在保持高性能的同時降低能源消耗。

目前，包括思科、博通、英偉達等多家行業領導者正在積極提供或開發先進的光交換機，以滿足不斷增長的帶寬和速度需求。谷歌也加入了這一行列，自主開發了Apollo光交換平臺，該平臺不僅專注于提升帶寬和速度，還將提高能源效率作為其核心目標之一。

?谷歌推進Apollo平臺

谷歌在其最新文章中介紹了Apollo平臺，這標志著數據中心網絡架構的重大革新。傳統數據中心通常采用“Clos”拓撲結構，也稱為Spine-Leaf架構，通過由博通、思科、Marvell和英偉達等業界領導者提供的電子分組交換機（EPS）來連接服務器機架內的計算資源，包括CPU、GPU、FPGA、存儲和ASIC。然而，這種架構的主要缺點是高電力消耗。

Apollo平臺代表了數據中心網絡向光電路交換（OCS）技術的轉變。該平臺集成了谷歌自主研發的OCS技術、循環器和定制的波分復用（WDM）光收發器，通過基于OCS和循環器的雙向鏈路，顯著提高了數據傳輸效率。Apollo現已成為谷歌數據中心網絡的核心，全面支持各類數據中心應用。

光是通信的必由之路，OCS已成功應用

通過用Apollo OCS層替代傳統的主干層，谷歌不僅簡化了網絡結構，還大幅降低了成本和能耗。這是因為它消除了主干層中的光交換機和復雜的光學接口。在Apollo架構中，光交換機直接連接到配線架和葉子交換機，形成了一種非分組交換的光交叉連接模式，進一步優化了網絡性能。

Dell'Oro Group的副總裁Sameh Boujelbene指出，OCS交換機以其高帶寬和低延遲的特性，以及對資本支出的有效降低，正在顯示其優勢。這是因為OCS減少了對電氣交換機的需求，省去了昂貴的光電轉換過程。此外，隨著服務器升級采用新一代光收發器，OCS交換機不需要頻繁更新，這與電氣交換機形成鮮明對比。

盡管OCS技術具有巨大潛力，但其普及仍面臨挑戰。目前，只有谷歌成功地在數據中心網絡中大規模部署了OCS。此外，OCS交換機的部署可能需要對現有的光纖基礎設施進行適應性調整，具體需求因云服務提供商而異。

然而，隨著人工智能應用的興起，Boujelbene觀察到OCS交換機越來越多地被部署在AI集群中，以充分利用其在提高性能和降低成本方面的獨特優勢。

?標準化光傳輸技術

隨著人工智能網絡的快速發展，市場對支持更高速率以太網網絡設備的需求正在迅速增長。特別是800G以太網，它采用了800ZR高速光傳輸技術，并且得益于OpenZR+行業倡議，該倡議旨在推動相干光收發器的互操作性標準化，800G以太網正成為市場的焦點。

思科通過其2021年以45億美元收購的Acacia Communications的數據，展示了400G以太網領域的顯著成長。400ZR技術在相干可插拔模塊領域取得了巨大成功，吸引了眾多供應商的參與，并在城域數據中心互連（DCI）場景中實現了400ZR QSFP-DD和OSFP模塊的廣泛部署。

IDC的最新報告預測，包括400ZR在內的網絡級可插拔光學器件將在2024年迎來在通信服務提供商網絡中的顯著部署增長。Gartner進一步指出，隨著人工智能數據中心間距離問題日益凸顯，通過DCI技術有效連接這些分散的數據中心，已成為推動AI和光纖網絡發展的關鍵因素。

為了實現這一目標，網絡鏈路的容量必須隨著AI應用的擴展而不斷提升。目前，盡管單個波長上已經能夠實現400千兆的傳輸能力，但業界仍在積極尋求在性能、成本、密度等多方面的進一步優化。隨著技術的演進，初期產品可能已經針對特定工藝（例如5納米）進行了優化。

?AI集群規模不斷擴大

Boujelbene強調，AI應用的增長速度正在以指數級加速，其處理參數量每2-3年增長1000倍。這一趨勢導致AI集群規模迅速擴大，平均每兩年翻兩番，從256個擴展至1000個甚至4000個，目前有集群已達到32000至64000個加速器。

在OFC 2024（光纖通信會議）的博客文章中，Boujelbene提到，2023年的OFC推出了基于每波長200G技術的1.6Tbps光學元件與收發器。盡管業界普遍預計1.6Tbps技術的規模化出貨將推遲到2025/2026年，但業界已經開始探索3.2Tbps技術，期望在OFC 2024上展示更多高性能產品。

AI集群內部帶寬需求的爆炸式增長，以及追求更高速度所帶來的功率消耗和成本上升，是業界緊迫感的根源。Dell’Oro Group發布的《AI工作負載用AI網絡》報告預測，到2025年，AI網絡中的多數端口將達到800Gbps，到2027年將躍升至1600Gbps。

盡管性能提升迅速，但這伴隨著成本和能耗的顯著增加。Boujelbene指出，為了應對這一挑戰，對AI基礎設施的大規模投資正在加速創新光學連接解決方案的研發，以滿足AI集群的需求，同時有效控制成本和能耗。

?LPO 與 CPO

盡管光學與AI網絡領域的發展趨勢引人注目，但目前業界更關注線性驅動可插拔光學器件（LPO）與共封裝光學器件（CPO）之間的技術競爭。LPO的優勢在于它能夠在光模塊間直接建立連接，無需依賴額外組件如數字信號處理器，從而簡化了系統架構。而CPO則是將光學元件直接集成到交換機ASIC中。

業內專家普遍認為，這兩種技術都能在光網絡領域占據重要地位，因為它們都能降低功耗并提升帶寬密度。然而，CPO由于技術集成度高而部署復雜，而LPO則因去除了部分非必要組件而有望簡化部署流程。

今年，LPO技術獲得了廣泛的行業支持。3月，由思科、博通、英特爾、英偉達、Arista、AMD等12家核心光學供應商聯合成立了線性可插拔光學多源協議小組（LPO MSA），積極推動LPO技術的發展。該小組正在開發一系列光網絡設備，包括交換機、NIC以及以太網GPU等，以滿足AI、高性能計算等領域對高速、高容量網絡解決方案的需求。

LPO MSA主席Mark Nowell在聲明中指出：“面對AI及高性能應用對網絡功耗的嚴格要求，LPO技術通過顯著降低模塊與系統的功耗，同時保留可插拔接口的設計，為用戶提供了大規模部署所需的經濟性和靈活性。”

實際上，無論是LPO還是CPO，都旨在降低功耗，并可能在未來高速網絡升級中減少成本。Boujelbene指出，多供應商支持、快速上市時間、良好的可維護性、可制造性以及可測試性是實現技術批量采用的關鍵。

由于LPO在保留可插拔外形尺寸的同時簡化了設計，主要移除了DSP，因此在滿足這些關鍵要求上相較于CPO更具優勢。因此，預計LPO有望在CPO之前實現更廣泛的商業部署。

原文鏈接：

https://www.networkworld.com/article/2501184/optical-networking-challenges-gain-attention-as-ai-networking-demands-rise.html

來源：通信百科