Требования к пропускной способности и энергопотреблению в центрах данных для ИИ заставляют переходить от электрических соединений к оптическим сетям масштабирования. Среди компонентов коупакованных оптических систем долгое время не хватало одного — самого лазера. Ситуация изменилась: Tower Semiconductor и Scintil Photonics запустили производство первого в мире однокристального DWDM-светового двигателя для инфраструктуры ИИ. DWDM, или плотное волновое разделение по длинам волн, передает несколько оптических сигналов по единственному волокну. Это сильно снижает энергозатраты и задержки, позволяя связывать десятки GPU.
Мэтт Кроули, глава Scintil Photonics, подчеркивает: оптическое мультиплексирование известно с зарождения интернета. В 1990-е телеком-компании прокладывали километры оптического волокна, рассчитывая на одну длину волны на каждое. Возможность пропускать десятки длин волн по одному волокну полностью изменила отрасль.
DWDM пока не прижился в ИИ-центрах из-за проблем с масштабированием по цене и характеристикам. "Объем данных в таком центре сравним с гигантским суперкомпьютером", — объясняет Кроули. Главная сложность в scale-up networking — прямом соединении ускорителей XPU (расширенных вычислительных блоков) внутри стойки или кластера, в отличие от scale-out networking, что связывает отдельные кластеры. Чтобы десятки GPU и блоки памяти работали как единое целое, требуется максимальная пропускная способность и предельно низкие задержки.
Для роста скорости, сокращения задержек и повышения энергоэффективности в ИИ-центрах медные линии заменяют оптическими. Плагинные транспондеры преобразуют электрические сигналы в оптические и обратно, используя дискретные оптические элементы, объединенные на чипе — это коупакованная оптика, или CPO.
"Крупные производители чипов прикрепляют оптический чип прямо к GPU", — рассказывает Кроули. CPO выступает чипом ввода-вывода для процессора. Однако без надежного способа встроить лазеры в стандартный силиконовый процесс невозможно выводить несколько длин волн по волокну на один чип.
Интегрированная фотоника для сетей ИИ
Технология SHIP от Scintil (Scintil Heterogeneous Integrated Photonics) объединяет лазеры, фотодиоды, модуляторы и прочие элементы на обычной кремниевой пластине массового производства. "Это аналог CMOS, но с решениями для проблем с оптическим материалом усиления на кремнии", — поясняет Кроули.
Процесс идет так: берут стандартную 300-миллиметровую пластину кремниевой фотоники от Tower Semiconductors с пассивными оптическими элементами. Ее переворачивают, чтобы открыть слой зарытого оксида. Туда точно в нужных местах для лазеров крепят микроскопические квадраты неструктурированных полупроводников InP/III-V, экономя дорогой материал. Затем фотолитография формирует дифракционные решетки, создавая восемь лазеров с распределенной обратной связью.
"Лазер мы не изобретаем с нуля", — уточняет Кроули. Современные фотолитографические инструменты дают точное взаимное расположение и стабильность длин волн, недостижимые в классическом производстве на кремнии.
Готовый чип — LEAF Light, фотонно-интегрированная схема с двумя группами по восемь лазеров с распределенной обратной связью. Каждый порт волокна обеспечивает 8 или 16 длин волн с шагом 100 или 200 ГГц — без наложений и скачков мод. Отдельный ASIC-чип управляет и отслеживает весь лазерный массив.
Развитие CPO за счет многоспектральных лазеров
"Мы монтируем лазер непосредственно на чип CPO", — говорит Кроули. Nvidia и Broadcom уже применяют CPO с одной длиной волны на волокно в scale-out сетях, подтвердив эффективность. "Наш подход открывает CPO следующего уровня для scale-up".
Несколько длин волн по одному волокну приближает к архитектуре "медленной и широкой". Вместо 400 Гб/с на одной длине волны чип LEAF Light распределяет 50 Гб/с по восьми каналам. Это резко повышает емкость волокна и энергоэффективность. Максимум — 1,6 Тбит/с на волокно. Roadmap Nvidia прогнозирует для будущих DWDM интерконнектов менее 1 пДж на бит.
Кроули выделяет главное преимущество — минимальные задержки. "Между GPU нужна сверхнизкая латентность", — подчеркивает он. Когда отдельный процессор опережает сеть, GPU простаивают в ожидании данных; в scale-up с десятками или сотнями GPU это критично. Высокоскоростные каналы с форвард-коррекцией и защитой от ошибок усугубляют проблему. "Утилизация GPU резко падает", — констатирует Кроули. DWDM на низких скоростях для связи GPU удваивает коэффициент использования.
Scintil и Tower отгрузят клиентам десятки тысяч чипов к концу 2026 года и увеличат выпуск в десять раз в 2027-м. К 2028 году, когда развернут DWDM в scale-up сетях, цепочка поставок будет полностью готова. "Нас вдохновляют перспективы, которые это создаст", — заключает Кроули.