行业研究|光互连技术引领高性能计算进入新时代

  概要

  ICC讯 本文探讨了光互连技术解决高性能计算系统瓶颈、实现新体系结构的潜力。文章归纳 Hyperion Research 2023年对用户和供应商关于未来系统高影响力技术的看法调查关键发现。结果显示，业内强烈认为光互连技术在近期（1-2年内）和更长期（4-6年内）将对高性能计算产生重大影响。用户和供应商一致认为，光互连在缓解输入输出带宽限制、提升网络吞吐量等方面具有巨大潜力。总体来看，光互连技术有望在满足新兴工作负载需求中发挥关键作用。

  导言

  当代高性能计算工作负载不断推动现有系统架构极限。CPU和GPU性能持续提高，但系统互连和网络跟不上步伐。这导致性能瓶颈制约了整体应用性能。展望未来，人工智能、机器学习、大数据分析等新兴工作负载将对系统网络和输入输出提出更高要求。实现下一代高性能计算机需要新的互连技术大幅提升带宽。一个有前景的解决方案是在处理器封装中直接集成光输入输出。光互连长期以来是数据中心网络支柱，近年创新使光信号克服电信号在芯片间通信局限。本文总结 Hyperion Research 2023年有关高性能计算系统光互连的用户和供应商预期的行业研究。发现业内对光互连技术解决当前和未来几年系统关键瓶颈寄予厚望。

  当前高性能计算主要瓶颈

  用户和供应商对当前高性能计算系统最关键瓶颈问题有共识。如图1，约35%用户认为输入输出带宽和计算与内存是最大瓶颈，这表明处理器与内存间的数据传输是重要痛点。供应商中超过50%视计算内存带宽为主要网络限制。两者都认为应用程序整体数据吞吐量是重要性能制约。这确认当前高性能计算系统难以提供足够输入输出吞吐量和带宽满足应用需求。处理器、内存、存储之间需要更高速链接迫在眉睫。

  未来系统新兴需求

  展望未来系统需求，用户和供应商在几个关键点上达成共识。超过75%受访者强调资源分散和可组合系统必要性，以优化特定工作负载。用户还将系统扩展和网络吞吐量提升作为重中之重。供应商方面认为光互连和内存计算是对未来体系结构影响最大的技术。图2显示供应商看法，未来4-6年内最高影响技术以光互连为主，高达30%选票，内存计算也很重要。

  实现光互连技术商业采用之路

  尽管用户和供应商都认可光互连前景，但对其成熟时间预期有差异。图3和图4比较用户和供应商对2年内和4-6年内实现的封装外吞吐量预期。用户预计4-6年内实现50 Tbps链接，而大多数供应商认为20-50 Tbps仍需5年以上。但两者都看好光互连在不久后将迅速突破10 Tbps，相比当前电互连提升10倍。要实现这一增益，标准和生态必须进化支持光集成。Ayar Labs通过提供处理器封装内的光输入输出“chiplets”，旨在加速商业采用。通过互操作光组件避免专有接口，平滑光互连发展之路。

  结论

  光互连技术有望对未来高性能计算系统设计产生重大影响。用户和供应商都充满信心，光互连可以帮助克服输入输出带宽、吞吐量、计算内存性能等当前瓶颈。尽管采纳时间表仍不确定，业界广泛认为光互连能力将在未来数年内迅速提升至10 Tbps以上，大大提高数据传输能力以发挥新型处理器、加速器、内存等硬件潜力。在适宜的标准和生态系统支持下，光互连可能是开启新兴高性能计算硬件全潜能的关键创新。全光互连系统的未来一片光明。