在HPC工作负载应用中如何实现硅光子学

在当今的数字数据密集型环境中，随着组织面临大量工作负载和复杂的数据处理挑战，对高性能计算 (HPC) 的需求持续激增。高效、高带宽、低延迟计算的新方法对于处理这些需求至关重要，因为传统技术在数据量、速度、能源效率和占用空间方面达到了极限。

数据中心是大规模数据处理和存储的中心枢纽。HPC 在这些环境中发挥着关键作用，需要高效和高带宽的通信来管理大量涌入的数据。利用光而不是电力进行计算的光子技术正在成为解决扩展问题并改善数据中心 HPC 工作负载通信的突破性解决方案。

为什么选择光子学?

光子学是一项尖端技术，它将光的力量与硅的效率相结合，以实现低延迟、高速计算、数据互连以及传输和通信。它利用了硅基制造工艺的固有优势，在单个封装上将光子组件与电子电路无缝集成，并超越铜互连，同时提供卓越的性能。

硅光子系统的关键部件包括光源、调制器、探测器和光波导。激光光源产生通过波导引导的光子，调制器控制引导光的特性，允许将数据编码到光信号上。光电探测器将光信号转换回由电子电路处理的电信号。

这些波导是使用成熟的半导体制造技术在硅衬底上制造的。通过调制波导的特性，例如其尺寸或折射率，可以操纵光来执行数据计算和传输。

在 HPC 工作负载应用中实现硅光子学

HPC 工作负载可解决复杂的数学任务，其特点是巨大的计算要求和处理元素之间无缝数据交换的需求。传统的铜基互连正受到带宽限制、延迟增加、电源效率低下和可扩展性有限的阻碍，难以跟上步伐。这些问题出现在计算内核和内存之间的芯片接口、用于计算任务的芯片到芯片接口以及用于高速、低延迟网络的机架到机架接口上，为基于光的解决方案作为可行的选择铺平了道路。

速度对于 HPC 工作负载至关重要。硅光子学可实现前所未有的数据传输速度，非常适合数据中心，为处理需要更快数据传输速度、更高能效和更低延迟的 HPC 工作负载带来好处。通过利用基于光的传输，硅光子学超越了传统铜基互连的局限性，显着降低了延迟并实现了实时数据处理。

HPC 工作负载也因其高功耗而臭名昭著，导致运营成本增加和环境影响。在这方面，基于光的计算再次带来了一个优势：由于光子传输数据所需的功率比电子少，因此光子解决方案通过最大限度地减少碳足迹来降低成本并提高可持续性。

HPC 工作负载严重依赖准确可靠的数据传输。硅光子学通过最大限度地减少信号衰减和电磁干扰来增强信号完整性。使用基于光的传输可确保整个通信过程中的数据完整性，从而为 HPC 计算提供精确可靠的结果。

光子学加速 HPC 工作负载的潜在用例包括机架到机架互连、内存和存储加速以及芯片内通信：

机架到机架互连：HPC 系统通常由数据中心内互连的多个计算节点组成。硅光子学可用于在这些节点之间创建高速和节能的互连。与电气互连相比，光链路可以在更长的距离上高速传输大量数据，延迟最小，功耗更低。这样可以在计算节点之间实现更快的通信和数据传输，从而促进 HPC 集群中的高效并行计算。

内存和存储加速：HPC 工作负载通常涉及密集的数据访问和存储操作。硅光子学可用于增强HPC系统中的内存和存储性能。通过利用标准互连协议(如光纤上的计算高速链路 (CXL)，可以显著加快处理器和内存/存储子系统之间的通信，从而减少延迟并提高整体系统吞吐量。这对于大规模模拟、大数据分析和机器学习应用特别有利，在这些应用中，快速数据访问和处理至关重要。

芯片内通信：在单个芯片内，基于光子学的片上光网络可用于增强组件之间的通信，例如处理器、内存缓存、加速器和小芯片。通过将光子学集成到芯片设计中，可以使用波导创建高速和低延迟通信路径，从而减少数据传输瓶颈并实现不同功能单元之间的高效数据移动。这可以提高整体芯片性能，特别是对于需要高级别并行性和数据共享的复杂 HPC 工作负载。

总体而言，数据中心的光子学通过提供高带宽、低延迟和高能效的互连解决方案，在 HPC 工作负载方面具有巨大潜力。它支持更快的数据传输、改进计算节点和集群之间的通信、加速内存和存储访问以及增强的片内连接。这些进步有助于更高效、更可扩展的 HPC 系统，使用户能够以更高的速度和准确性处理复杂的计算问题。

创建光子学生态系统以促进采用

为了实现硅光子学的全部潜力，培养协作生态系统非常重要。工业、学术界和研究机构之间的合作对于推动创新、加速光子学解决方案的开发以及在制造技术、组件集成和系统优化方面实现突破至关重要。

行业主导的标准化工作也促进了协作，同样至关重要，因为它们确保了不同光子组件和系统之间的互操作性和兼容性。建立行业标准可实现无缝集成，促进市场繁荣和广泛采用。

采用这种创新技术需要一种协作方法来调整实施以解决特定的 HPC 工作负载。新兴的光子计算初创公司生态系统为采用这项技术并参与影响其路线图创造了机会。为了充分利用光子学在数据中心应用中的潜力，HPC运营商必须有效地引导采用之路以获得好处。

政策制定者需要合作创造一个有利的环境，培育创新，保护知识产权，解决潜在的监管障碍。支持性法规可以激励数据中心采用光子技术，并加速其对 HPC 工作负载的采用。合作努力、研发投资、标准化和监管支持将为硅光子学技术的广泛采用铺平道路。通过利用硅光子学的优势，数据中心可以加速 HPC 工作负载，推动各个领域的创新并推动增长。