行業研究|光互連技術引領高性能計算進入新時代

  概要

  ICC訊 本文探討了光互連技術解決高性能計算系統瓶頸、實現新體系結構的潛力。文章歸納 Hyperion Research 2023年對用戶和供應商關于未來系統高影響力技術的看法調查關鍵發現。結果顯示，業內強烈認為光互連技術在近期（1-2年內）和更長期（4-6年內）將對高性能計算產生重大影響。用戶和供應商一致認為，光互連在緩解輸入輸出帶寬限制、提升網絡吞吐量等方面具有巨大潛力?？傮w來看，光互連技術有望在滿足新興工作負載需求中發揮關鍵作用。

  導言

  當代高性能計算工作負載不斷推動現有系統架構極限。CPU和GPU性能持續提高，但系統互連和網絡跟不上步伐。這導致性能瓶頸制約了整體應用性能。展望未來，人工智能、機器學習、大數據分析等新興工作負載將對系統網絡和輸入輸出提出更高要求。實現下一代高性能計算機需要新的互連技術大幅提升帶寬。一個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。光互連長期以來是數據中心網絡支柱，近年創新使光信號克服電信號在芯片間通信局限。本文總結 Hyperion Research 2023年有關高性能計算系統光互連的用戶和供應商預期的行業研究。發現業內對光互連技術解決當前和未來幾年系統關鍵瓶頸寄予厚望。

  當前高性能計算主要瓶頸

  用戶和供應商對當前高性能計算系統最關鍵瓶頸問題有共識。如圖1，約35%用戶認為輸入輸出帶寬和計算與內存是最大瓶頸，這表明處理器與內存間的數據傳輸是重要痛點。供應商中超過50%視計算內存帶寬為主要網絡限制。兩者都認為應用程序整體數據吞吐量是重要性能制約。這確認當前高性能計算系統難以提供足夠輸入輸出吞吐量和帶寬滿足應用需求。處理器、內存、存儲之間需要更高速鏈接迫在眉睫。

  未來系統新興需求

  展望未來系統需求，用戶和供應商在幾個關鍵點上達成共識。超過75%受訪者強調資源分散和可組合系統必要性，以優化特定工作負載。用戶還將系統擴展和網絡吞吐量提升作為重中之重。供應商方面認為光互連和內存計算是對未來體系結構影響最大的技術。圖2顯示供應商看法，未來4-6年內最高影響技術以光互連為主，高達30%選票，內存計算也很重要。

  實現光互連技術商業采用之路

  盡管用戶和供應商都認可光互連前景，但對其成熟時間預期有差異。圖3和圖4比較用戶和供應商對2年內和4-6年內實現的封裝外吞吐量預期。用戶預計4-6年內實現50 Tbps鏈接，而大多數供應商認為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，相比當前電互連提升10倍。要實現這一增益，標準和生態必須進化支持光集成。Ayar Labs通過提供處理器封裝內的光輸入輸出“chiplets”，旨在加速商業采用。通過互操作光組件避免專有接口，平滑光互連發展之路。

  結論

  光互連技術有望對未來高性能計算系統設計產生重大影響。用戶和供應商都充滿信心，光互連可以幫助克服輸入輸出帶寬、吞吐量、計算內存性能等當前瓶頸。盡管采納時間表仍不確定，業界廣泛認為光互連能力將在未來數年內迅速提升至10 Tbps以上，大大提高數據傳輸能力以發揮新型處理器、加速器、內存等硬件潛力。在適宜的標準和生態系統支持下，光互連可能是開啟新興高性能計算硬件全潛能的關鍵創新。全光互連系統的未來一片光明。