يتطلب الذكاء الاصطناعي التوليدي (AI) حركة سريعة ومستمرة لكميات كبيرة من البيانات. في عدد متزايد من الحالات، أصبحت اتصالات الإدخال/الإخراج الكهربائية (I/O) بين الدوائر المتكاملة في الشرائح الصغيرة بمثابة عنق الزجاجة أمام الأداء الأعلى. تشمل عوائق أداء الإدخال/الإخراج الكهربائية الرئيسية كفاءة الطاقة وعرض النطاق الترددي ووقت الاستجابة.
تتناول هذه الأسئلة الشائعة الفوائد المتوقعة من استخدام وحدات الإدخال/الإخراج الضوئية (IOI) المضمنة في الحزمة بدلاً من وحدات الإدخال/الإخراج الكهربائية الحالية في الشرائح الصغيرة، وتختتم بإلقاء نظرة على حلول وتقنيات IOI الناشئة.
تمثل حلول IOI الأحدث في سلسلة طويلة من التطورات في مجال التوصيلات الضوئية، بدءًا من أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية القابلة للتوصيل التي تحل محل أو تكمل عمليات الإدخال/الإخراج الكهربائية في مراكز البيانات (الشكل 1). على سبيل المثال، يعد جهاز التسلسل/إلغاء التسلسل الكهربائي (SerDes) شكلاً شائعًا للاتصال عالي السرعة. ويتكون من زوج من الكتل التي تقوم بتحويل البيانات بين البيانات التسلسلية والواجهات المتوازية في كل اتجاه. ومع ذلك، فإن تجاوز 112 جيجابت في الثانية يمثل تحديًا كبيرًا لأن فقدان الإشارة الكبير في الوصلات النحاسية يجعل من الصعب نقل البيانات لمسافة أبعد من بضعة سنتيمترات. من المتوقع أن يؤدي استبدال SerDes بـ OIO في الشرائح الصغيرة إلى التخلص من اختناقات الإدخال/الإخراج الكهربائية وزيادة سرعات نقل البيانات بشكل كبير. تشمل العوائق الحاسمة التي تحول دون زيادة أداء الإدخال/الإخراج كفاءة الطاقة وزمن الوصول وكثافة عرض النطاق الترددي ومدى الوصول.
عوائق أداء الإدخال/الإخراج
تعد كفاءة الطاقة أمرًا بالغ الأهمية لتطبيقات الحوسبة عالية الأداء مثل الذكاء الاصطناعي التوليدي. تبلغ كفاءة الطاقة للإدخال/الإخراج الكهربائي الحالي عند 112 جيجابت في الثانية حوالي 6 إلى 10 بيكو جول لكل بت (pJ/b). من الممكن الوصول من العبوة إلى حافة لوحة الدائرة المطبوعة بمعدل البيانات هذا ولكنه يستهلك قدرًا كبيرًا من الطاقة، ويولد الحرارة، ويقلل من كفاءة النظام. كما هو مذكور في الشكل 1، يتطلب الوصول إلى ما هو أبعد من حافة PCB مزيجًا من أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية القابلة للتوصيل بالإدخال/الإخراج الكهربائية والكابلات الضوئية النشطة. يحتاج IOI إلى تحسين مستويات الأداء تلك.
الكمون هو قاتل آخر للأداء. يتطلب الإدخال/الإخراج الكهربائي داخل وخارج اللوحة بمعدلات أعلى من 50 جيجابت في الثانية استخدام ترميز تصحيح الأخطاء الأمامي الذي يمكن أن يزيد زمن الوصول بما يصل إلى 100 نانو ثانية. وهذا كثير جدًا بالنسبة لأنظمة الحوسبة الموزعة مثل تلك المستخدمة في الذكاء الاصطناعي التوليدي. وفي تلك التطبيقات، يلزم وجود زمن وصول أقل من 10 ns.
تعد كثافة عرض النطاق الترددي عاملاً مهمًا. تُستخدم الشرائح الصغيرة غير المتجانسة عندما تكون هناك حاجة إلى كثافة عالية للنظام، بما في ذلك كثافة عرض النطاق الترددي. يمكن أن يدعم الإدخال/الإخراج الكهربائي كثافة عرض النطاق الترددي التي تبلغ حوالي 100 جيجابت في الثانية/مم. الحد الأقصى لـ SerDes هو حوالي 200 إلى 500 جيجابت في الثانية / مم؛ يؤدي الوصول الأطول إلى فرض عقوبات على الطاقة والحرارة، مما يجعله حلاً غير عملي في معظم التطبيقات. من ناحية أخرى، يمكن لـ IOI حاليًا تقديم حوالي 200 جيجابت في الثانية/ملم، مع توقع خرائط الطريق لتحقيق 1 تيرابت في الثانية/ملم في المستقبل.
الوصول هو المسافة من طرف إلى طرف للإدخال/الإخراج. في الشريحة الصغيرة، يكون الوصول المطلوب عادة أقل من 10 ملم. في PCB، يمكن أن يصل مدى الوصول إلى 50 مم، وفي مركز البيانات، يمكن أن يتجاوز مدى الوصول 1,000 مم. في حين أن وحدات الإدخال/الإخراج الكهربائية يمكنها دعم الوصول القصير، إلا أن المسافات الأطول تتطلب استخدام الاتصالات الضوئية. يعد التبديل بين الاتصالات الكهربائية داخل الحزمة أو على PCB إلى الاتصالات الضوئية لمسافات أطول أمرًا غير فعال ومكلف. سيكون الحل المفضل هو استخدام IOI لكل من اتصالات الشرائح الداخلية والاتصال على مستوى مركز البيانات.
أعلن العديد من البائعين عن حلول IOI. في إحدى الحالات، تم تطوير نسيج ربط ضوئي قابل للبرمجة على نطاق الرقاقة لاستخدامه في الشرائح الصغيرة غير المتجانسة. يدعم التصميم 40 ممرًا ضوئيًا قابلاً للتحويل في نفس المساحة التي تشغلها الألياف الضوئية التقليدية. من المتوقع أن تدعم التطبيقات الأولية سرعات تبلغ 1 تيرابايت في الثانية عبر المصفوفات على ما يصل إلى 48 دائرة متكاملة غير متجانسة على ركائز تصل مساحتها إلى 8 بوصات مربعة مع زمن وصول أقصى يبلغ 5 نانوثانية واستهلاك أقل للطاقة مقارنةً بالإدخال/الإخراج الكهربائي البديل (الشكل 2). ومن المتوقع أن تتوسع البنية لتشمل عروض نطاق تصل إلى 100 تيرابت في الثانية.
يستخدم الأسلوب الثاني مصدرًا ضوئيًا متعدد الأطوال الموجية يجمع بين ضوئيات السيليكون ومعالجة CMOS القياسية لتوفير كثافة عرض نطاق أعلى بما يصل إلى 1000x عند 10% من استهلاك الطاقة للإدخال/الإخراج الكهربائي (الجدول 1). يستخدم الحل عملية GlobalFoundries كبيرة الحجم مقاس 45 نانومتر لدمج ملايين الترانزستورات مع مئات الأجهزة الضوئية.
نبذة عامة
تتجاوز متطلبات الإدخال/الإخراج الخاصة بالذكاء الاصطناعي التوليدي المتقدم وتطبيقات الحوسبة عالية الأداء الأخرى (HPC) قدرات الحلول القائمة على الكهرباء. ونتيجة لذلك، يتم تطوير تقنيات IOI التي يمكنها دعم كفاءة الطاقة وزمن الوصول وكفاءة عرض النطاق الترددي والوصول إلى متطلبات تطبيقات HPC.
مراجع حسابات
خريطة طريق التكامل غير المتجانس، طبعة 2023، الفصل التاسع: الضوئيات المتكاملة، IEEE
Lightmatter Passage يجلب البصريات المعبأة بشكل مشترك وضوئيات السيليكون إلى عصر Chiplet، ServiceTheHome
الربط البصري لمركز البيانات فائق النطاق مع تطبيقات الذكاء الاصطناعي/تعلم الآلة، الأمفينول
الترابط البصري أخيرًا يرى الضوء في ضوئيات السيليكون: تجاوز الضجيج والمواد النانوية MDPI
الضوئيات الكلمة الرئيسية: الانتقال من الكهربائية إلى البصرية I/O، الإيقاع
تجاويف phc من السيليكون متعدد البلورات لتكامل CMOS على الرقاقة - التقارير العلمية
إعادة التفكير في بنيات الذكاء الاصطناعي التوليدية باستخدام الإدخال/الإخراج البصري، Ayer Labs