行業(yè)研究|光互連技術(shù)引領(lǐng)高性能計(jì)算進(jìn)入新時(shí)代

  概要

  ICC訊 本文探討了光互連技術(shù)解決高性能計(jì)算系統(tǒng)瓶頸、實(shí)現(xiàn)新體系結(jié)構(gòu)的潛力。文章歸納 Hyperion Research 2023年對(duì)用戶(hù)和供應(yīng)商關(guān)于未來(lái)系統(tǒng)高影響力技術(shù)的看法調(diào)查關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)。結(jié)果顯示，業(yè)內(nèi)強(qiáng)烈認(rèn)為光互連技術(shù)在近期（1-2年內(nèi)）和更長(zhǎng)期（4-6年內(nèi)）將對(duì)高性能計(jì)算產(chǎn)生重大影響。用戶(hù)和供應(yīng)商一致認(rèn)為，光互連在緩解輸入輸出帶寬限制、提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量等方面具有巨大潛力?？傮w來(lái)看，光互連技術(shù)有望在滿(mǎn)足新興工作負(fù)載需求中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

  導(dǎo)言

  當(dāng)代高性能計(jì)算工作負(fù)載不斷推動(dòng)現(xiàn)有系統(tǒng)架構(gòu)極限。CPU和GPU性能持續(xù)提高，但系統(tǒng)互連和網(wǎng)絡(luò)跟不上步伐。這導(dǎo)致性能瓶頸制約了整體應(yīng)用性能。展望未來(lái)，人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析等新興工作負(fù)載將對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和輸入輸出提出更高要求。實(shí)現(xiàn)下一代高性能計(jì)算機(jī)需要新的互連技術(shù)大幅提升帶寬。一個(gè)有前景的解決方案是在處理器封裝中直接集成光輸入輸出。光互連長(zhǎng)期以來(lái)是數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)支柱，近年創(chuàng)新使光信號(hào)克服電信號(hào)在芯片間通信局限。本文總結(jié) Hyperion Research 2023年有關(guān)高性能計(jì)算系統(tǒng)光互連的用戶(hù)和供應(yīng)商預(yù)期的行業(yè)研究。發(fā)現(xiàn)業(yè)內(nèi)對(duì)光互連技術(shù)解決當(dāng)前和未來(lái)幾年系統(tǒng)關(guān)鍵瓶頸寄予厚望。

  當(dāng)前高性能計(jì)算主要瓶頸

  用戶(hù)和供應(yīng)商對(duì)當(dāng)前高性能計(jì)算系統(tǒng)最關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題有共識(shí)。如圖1，約35%用戶(hù)認(rèn)為輸入輸出帶寬和計(jì)算與內(nèi)存是最大瓶頸，這表明處理器與內(nèi)存間的數(shù)據(jù)傳輸是重要痛點(diǎn)。供應(yīng)商中超過(guò)50%視計(jì)算內(nèi)存帶寬為主要網(wǎng)絡(luò)限制。兩者都認(rèn)為應(yīng)用程序整體數(shù)據(jù)吞吐量是重要性能制約。這確認(rèn)當(dāng)前高性能計(jì)算系統(tǒng)難以提供足夠輸入輸出吞吐量和帶寬滿(mǎn)足應(yīng)用需求。處理器、內(nèi)存、存儲(chǔ)之間需要更高速鏈接迫在眉睫。

  未來(lái)系統(tǒng)新興需求

  展望未來(lái)系統(tǒng)需求，用戶(hù)和供應(yīng)商在幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)上達(dá)成共識(shí)。超過(guò)75%受訪者強(qiáng)調(diào)資源分散和可組合系統(tǒng)必要性，以?xún)?yōu)化特定工作負(fù)載。用戶(hù)還將系統(tǒng)擴(kuò)展和網(wǎng)絡(luò)吞吐量提升作為重中之重。供應(yīng)商方面認(rèn)為光互連和內(nèi)存計(jì)算是對(duì)未來(lái)體系結(jié)構(gòu)影響最大的技術(shù)。圖2顯示供應(yīng)商看法，未來(lái)4-6年內(nèi)最高影響技術(shù)以光互連為主，高達(dá)30%選票，內(nèi)存計(jì)算也很重要。

  實(shí)現(xiàn)光互連技術(shù)商業(yè)采用之路

  盡管用戶(hù)和供應(yīng)商都認(rèn)可光互連前景，但對(duì)其成熟時(shí)間預(yù)期有差異。圖3和圖4比較用戶(hù)和供應(yīng)商對(duì)2年內(nèi)和4-6年內(nèi)實(shí)現(xiàn)的封裝外吞吐量預(yù)期。用戶(hù)預(yù)計(jì)4-6年內(nèi)實(shí)現(xiàn)50 Tbps鏈接，而大多數(shù)供應(yīng)商認(rèn)為20-50 Tbps仍需5年以上。但兩者都看好光互連在不久后將迅速突破10 Tbps，相比當(dāng)前電互連提升10倍。要實(shí)現(xiàn)這一增益，標(biāo)準(zhǔn)和生態(tài)必須進(jìn)化支持光集成。Ayar Labs通過(guò)提供處理器封裝內(nèi)的光輸入輸出“chiplets”，旨在加速商業(yè)采用。通過(guò)互操作光組件避免專(zhuān)有接口，平滑光互連發(fā)展之路。

  結(jié)論

  光互連技術(shù)有望對(duì)未來(lái)高性能計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大影響。用戶(hù)和供應(yīng)商都充滿(mǎn)信心，光互連可以幫助克服輸入輸出帶寬、吞吐量、計(jì)算內(nèi)存性能等當(dāng)前瓶頸。盡管采納時(shí)間表仍不確定，業(yè)界廣泛認(rèn)為光互連能力將在未來(lái)數(shù)年內(nèi)迅速提升至10 Tbps以上，大大提高數(shù)據(jù)傳輸能力以發(fā)揮新型處理器、加速器、內(nèi)存等硬件潛力。在適宜的標(biāo)準(zhǔn)和生態(tài)系統(tǒng)支持下，光互連可能是開(kāi)啟新興高性能計(jì)算硬件全潛能的關(guān)鍵創(chuàng)新。全光互連系統(tǒng)的未來(lái)一片光明。