激光芯片為AI數(shù)據(jù)中心帶來(lái)波分復(fù)用技術(shù)

隨著AI數(shù)據(jù)中心對(duì)帶寬和功耗的要求不斷提高，網(wǎng)絡(luò)必須從電互聯(lián)向光互聯(lián)升級(jí)，而在共封裝光學(xué)（CPO）體系中，一直明顯缺少一個(gè)關(guān)鍵組件：激光器本身。如今，這一局面已被改變。上個(gè)月，高塔半導(dǎo)體（Tower Semiconductor）與Scintil Photonics宣布，量產(chǎn)了全球首款用于AI基礎(chǔ)設(shè)施的單芯片密集波分復(fù)用（DWDM）光引擎。DWDM即密集波分復(fù)用，可在單根光纖中傳輸多路光信號(hào)，在連接數(shù)十張GPU的同時(shí)，大幅降低功耗與時(shí)延。

Scintil Photonics首席執(zhí)行官M(fèi)att Crowley表示，光復(fù)用技術(shù)本身并非新概念。事實(shí)上，它幾乎與互聯(lián)網(wǎng)同時(shí)出現(xiàn)。上世紀(jì)90年代，電信企業(yè)在城市地下鋪設(shè)了大量光纖，當(dāng)時(shí)認(rèn)為一根光纖承載一個(gè)波長(zhǎng)終將成為常態(tài)。而當(dāng)電信行業(yè)意識(shí)到，通過(guò)復(fù)用技術(shù)可在單根光纖中傳輸數(shù)十個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，整個(gè)行業(yè)迎來(lái)了革命性變革。

DWDM之所以尚未在專(zhuān)注于AI應(yīng)用的數(shù)據(jù)中心中部署，原因在于該技術(shù)在成本與需求上尚不具備可擴(kuò)展性。Crowley表示：“AI數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸，相當(dāng)于對(duì)一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行大規(guī)模擴(kuò)展?！本唧w來(lái)說(shuō)，挑戰(zhàn)主要出現(xiàn)在縱向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)（scale-up networking）中 —— 也就是在一個(gè)機(jī)架或集群內(nèi)直接連接加速器（XPU，擴(kuò)展處理單元）；這與橫向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)（scale-out networking）不同，后者是在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部連接不同的獨(dú)立集群。要讓數(shù)十張GPU與內(nèi)存作為一個(gè)整體協(xié)同工作，需要無(wú)縫的帶寬與極低的時(shí)延。

為提升AI數(shù)據(jù)中心的帶寬、降低時(shí)延并提高能效，網(wǎng)絡(luò)工程師正逐步將銅纜鏈路替換為光纖鏈路。可插拔光模塊通過(guò)將分立光學(xué)元件集成到單一芯片上，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)與光信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，這一技術(shù)被稱(chēng)為共封裝光學(xué)（CPO）。

Crowley表示：“大型芯片廠商目前所做的，就是將一顆光學(xué)芯片鍵合到其GPU上?！贝藭r(shí)CPO就成為了處理器的輸入輸出（I/O）芯片。但如果缺乏可規(guī)模化的方案，將激光器本身集成到同一套硅片制造流程中，就無(wú)法在單顆芯片上實(shí)現(xiàn)單光纖傳輸多波長(zhǎng)信號(hào)。Scintil與Tower將于2026年3月17日至19日在洛杉磯舉辦的OFC 2026會(huì)議上，公布其制造路線圖與技術(shù)細(xì)節(jié)。

OFC 2026：https://www.ofcconference.org/?_gl=1*1l5rsi9*_up*MQ..*_gs*MQ..*_ga*NDM4NTEyMDE5LjE3Njk1MjA0Njk.*_ga_WCQ36P9K1M*czE3Njk1MjA0NjkkbzEkZzEkdDE3Njk1MjA0NzkkajUwJGwwJGgw&gclid=Cj0KCQiAz6q-BhCfARIsAOezPxk_wNpijJfEd6dumrUxMiSq_6rrJjkp2xXhUi_1LYCuJ_rXR_gQq0YaArV5EALw_wcB

Scintil的“SHIP”技術(shù)（SCINTIL Heterogeneous Integrated Photonics，異質(zhì)集成光子學(xué)，https://www.scintil-photonics.com/technology）將激光器、光電二極管、調(diào)制器及其他元件集成到可大規(guī)模量產(chǎn)的硅晶圓上。Crowley稱(chēng)：“這就是我們的CMOS級(jí)光子方案，只是用了一些特殊技術(shù)，來(lái)解決將光增益材料與硅鍵合時(shí)固有的技術(shù)難題。”

該工藝始于高塔半導(dǎo)體提供的標(biāo)準(zhǔn)300毫米硅光晶圓，晶圓上已集成無(wú)源光學(xué)元件。隨后，將晶圓翻轉(zhuǎn)，暴露出其埋氧層。把未做圖形化的小方塊InP/III-V族半導(dǎo)體芯片，精準(zhǔn)鍵合到每個(gè)激光器所需的位置，可最大限度減少這種昂貴半導(dǎo)體材料的用量。最后，通過(guò)光刻設(shè)備刻蝕衍射光柵，形成8個(gè)分布式反饋激光器。

Crowley說(shuō)：“我們并非重新發(fā)明激光器?！闭嬲耐黄圃谟冢冗M(jìn)光刻工藝能在硅晶圓上實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)制造更精確的波長(zhǎng)間距與波長(zhǎng)穩(wěn)定性。

最終產(chǎn)品是名為L(zhǎng)EAF Light的光子集成電路（https://www.scintil-photonics.com/products），該芯片集成了兩組八單元分布式反饋激光器陣列。每個(gè)光纖端口可輸出8個(gè)或16個(gè)波長(zhǎng)，通道間隔為100GHz或200GHz，以確保信號(hào)不重疊、不跳模。另一顆專(zhuān)用ASIC芯片則承載全部電子電路，用于控制和監(jiān)控激光器陣列。

Crowley表示：“我們是把激光器直接集成在了CPO芯片上。”英偉達(dá)與博通已經(jīng)部署了單波長(zhǎng)單光纖的CPO方案，驗(yàn)證了該技術(shù)在橫向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)中的可行性?！岸覀冋跒榭v向擴(kuò)展打造下一代CPO?！?/span>

通過(guò)單根光纖傳輸多波長(zhǎng)信號(hào)，將推動(dòng)行業(yè)邁向理想的“低速寬頻”架構(gòu)。例如，LEAF Light芯片并非在單一通道（波長(zhǎng)）上傳輸400 Gb/s，而是將50 Gb/s分?jǐn)偟?個(gè)通道，大幅提升單光纖數(shù)據(jù)容量與整體能效。該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)單光纖1.6 Tb/s的數(shù)據(jù)速率。英偉達(dá)近期的路線圖顯示，未來(lái)基于DWDM的互聯(lián)方案，最終有望實(shí)現(xiàn)每比特功耗低于1皮焦。

Crowley認(rèn)為，該方案最重要的優(yōu)勢(shì)或許在于時(shí)延?！拔覀冃枰贕PU之間保持低時(shí)延，”他說(shuō)。如果任何單個(gè)處理器的運(yùn)算速度快于整體網(wǎng)絡(luò)，GPU就會(huì)始終處于等待數(shù)據(jù)比特的狀態(tài) —— 這一問(wèn)題在包含數(shù)十乃至上百塊GPU的縱向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)中會(huì)被進(jìn)一步放大。高帶寬通道上的前向處理與糾錯(cuò)操作，會(huì)大幅增加時(shí)延劣化的風(fēng)險(xiǎn)?！叭绱艘粊?lái)，GPU的利用率就會(huì)急劇下降。”Crowley表示。而采用低帶寬密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)連接多塊GPU，可使GPU利用率提升一倍。

Scintil與Tower計(jì)劃在2026年底前向客戶提供數(shù)萬(wàn)套產(chǎn)品，并在明年將產(chǎn)能提升一個(gè)數(shù)量級(jí)。到2028年，當(dāng)客戶計(jì)劃在縱向擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)中部署DWDM技術(shù)時(shí)，供應(yīng)鏈將已準(zhǔn)備就緒。“我們對(duì)它所能開(kāi)啟的無(wú)限可能感到興奮。”Crowley說(shuō)。