Генераторы случайных чисел используются в вычислительной технике едва ли не с момента её появления — без этого элемента немыслимы, к примеру, современная криптография или целый ряд алгоритмов. Генераторы истинно случайных чисел недешёвы, поэтому в индустрии широко применяется псевдослучайная генерация, которая, впрочем, не слишком энергоэффективна.

К тому же выдача таких генераторов потенциально содержит артефакты, могущие негативно влиять на статистику и даже служить источником уязвимостей. Компания Quside предлагает своё решение данного вопроса. Это первый, по словам создателей, в мире «ускоритель случайности» Randomness Processing Unit — RPU One.

Появление такого устройства в эру гиперскейлеров и облачных сервисов ожидаема, тем более что, по словам разработчиков, в нагрузках с элементами стохастических вычислений псевдослучайная генерация может задействовать до 50 % всех вычислительных ресурсов. Применение RPU One поможет этого избежать. Выигрыш в производительности при использовании нового ускорителя может составлять до 10 раз, а в энергоэффективности — до 20 раз. Правда, создатели сравнивают свой продукт с CPU, а не с другими аппаратными генераторами.

Выглядит новинка как обычная плата расширения с интерфейсом PCI Express. В основе, по всей видимости, лежит более ранняя разработка компании, чипсет Quside QN100, описание которого есть на сайте. Чип этот интересен тем, что использует для генерации потока случайных чисел квантовые эффекты.

Применение RPU One может высвободить немало вычислительных мощностей

В QN100 использованы фотонные элементы. Разработчики заявляют о более чем 95% непредсказуемости, а производительность одного чипа может достигать 1 Гбит/с. Но для RPU One заявлена производительность 10 Гбит/с, чего достаточно для обслуживания массы виртуальных машин. Вмешательство в код прикладного ПО при этом требуется минимальное. Новинка будет доступна как для локального развёртывания, так и у облачных партнёров Quside.

Разработки Ayar Labs в сфере кремниевой фотоники заинтересовали американскую военно-промышленную корпорацию Lockheed Martin, объявившую о планах использовать её технологию для оптического ввода-вывода в своих будущих оборонных платформах. Компании сотрудничают с 2020 года, когда Lockheed Martin объявила о «стратегических инвестициях» в стартап с целью дальнейшей разработки чиплета-трансивера TeraPHY.

Lockheed Martin сообщила, что технология Ayar Lab может в конечном итоге найти применение во многих системах Министерства обороны США для захвата, оцифровки, транспортировки и обработки спектральной информации с меньшей задержкой и на более дальние расстояния по сравнению с существующими решениями. Lockheed Martin не стала конкретизировать направления применения этой технологии, лишь отметила возможность её использования для военной разведки и обработки радиосигналов.

Источник: Ayar Labs

Ранее говорилось об использовании оптического интерконнекта в цифровых радиолокационных приложениях для поддержки больших объёмов данных. Тем не менее, военная разведка включает в себя широкий спектр технологий, обычно используемых в оборудовании для наблюдения, таких как дроны, спутники-шпионы и радарные массивы — во все эти области Lockheed Martin инвестирует значительные средства.

Технический директор Lockheed Martin Стив Уокер (Steve Walker) отметил, что для успеха миссий её клиентов требуются инновационные системные архитектуры в сочетании с искусственным интеллектом и методами машинного обучения. «Решение Ayar Labs для оптических интерконнектов обеспечивает необходимую технологию для обработки спектральной информации с большей скоростью и меньшей задержкой для систем следующего поколения», — добавил он.

Кремниевая фотоника продолжает бурно развиваться: уже созданы все основные компоненты, а на Hot Chips 34 компания Lightmatter продемонстрировала полноценный внутричиповый фотонный интерконнект. Однако широкое распространение фотоники немыслимо без соответствующей оптико-механической инфраструктуры, в частности, кабелей и разъёмов.

И именно такой разъём, способный стать основой нового стандарта, на мероприятии Intel Innovation 2022, и был продемонстрирован в действии. За основу Intel взяла оптический модуль MPO/MTP, сделав его более компактным для удобного использования в качестве межчипового соединителя.

Источник изображений: Serve The Home

Применение такого разъёма позволит гибридным чипам избавиться от ненадёжных волоконно-оптических «хвостов» с более крупными соединителями на концах. При повреждении хотя бы одного волокна в «хвосте» фотонные чипы старого типа фактически приходят в негодность, особенно если излом произошёл непосредственно в месте выхода волокна из упаковки. А вот с новым разъёмом достаточно будет заменить кабель.

Фотоника интегрирована в чип, но «хвосты» неудобны и потенциально ненадёжны

В своей демонстрации Intel показала гибридный чип XPU, оснащённый новым разъёмом и не требующий электрических межчиповых соединений, на которые приходится солидная доля электрической мощности и тепловыделения, особенно в современных высокоскоростных коммутаторах. При этом отчетливо видны посадочные места для пары аналогичных разъёмов.

Intel XPU. Рядом с новым оптическим разъёмом видны места для двух аналогичных соединителей

Теоретически использование такой технологии способно сильно преобразить внутренний вид и архитектуру вычислительных систем нового поколения — вся периферия, включая память, накопители и ускорители будет подключаться к процессору посредством новых оптических разъёмов без традиционных электрических дорожек на печатных платах.

Это существенно упростит конструкцию, а также снизит энергопотребление и тепловыделение таких систем. Также широкое применение интегрированной фотоники позволит добиться большей гибкости: к примеру, если сейчас объём высокоскоростной памяти типа HBM ограничен габаритами упаковки чипа, то в будущем дополнительные модули с интегрированным фотонным трансивером можно будет просто подключать с помощью системы оптических разъёмов, разработанной Intel. В числе прочего, внедрение нового межчипового оптического интерконнекта облегчит путь к построению HPC-систем зеттафлопсного класса.

На конференции Hot Chips 34 компания Lightmatter, занимающаяся созданием фотонного ИИ-процессора, рассказала о своей новой разработке, Lightmatter Passage, открывающей для чиплетов эру фотоники. Как известно, переход на чиплеты позволил разработчикам сложных чипов сравнительно малой кровью обойти ограничения, накладываемые технологиями на создание монолитных кристаллов большой площади. Однако современный высокоскоростной межчиплетный интерконнект всё равно весьма сложен и потребляет сравнительно много энергии. И по мере роста количества чиплетов на общей подложке проблема будет лишь обостряться.

Изображения: Lightmatter (via ServeTheHome)

Но технология Lightmatter Passage, призванная заменить электрический интерконнект оптическим, позволит эту проблему обойти. По сути, Passage — универсальная кремниевая прослойка, содержащая в своём составе лазеры, оптические модуляторы, фотодетекторы, волноводы, а также классические транзисторы для сопутствующей логики. Поверх этой прослойки Lightmatter и предлагает размещать чиплеты любой архитектуры.

Электрическая часть Passage имеет изменяемую конфигурацию и в текущей реализации поддерживает установку до 48 чиплетов (в виде матрицы 6×8). Производится такая прослойка из 300-мм кремниевой пластины SOI, верхний и нижний слои Passage имеют классические контакты для чиплетов и установки на PCB соответственно. При этом максимальная подводимая электрическая мощность может достигать 700 Вт. Вся же коммуникация чиплетов между собой происходит внутри и является оптической.

Матрица фотонных волноводов, плотность которой в 40 раз выше, чем у традиционных оптоволоконные технологий, обеспечивает латентность одного перехода на уровне менее 2 нс. Как заявляют разработчики, расстояние между чиплетами при этом роли не играет — для любого сочетания пары точек «входа» и «выхода» сигнала значение задержки одинаково. Высокая плотность волноводов позволяет «накормить» каждый чиплет потоком данных до 96 Тбайт/с, а внешние каналы Passage позволяют связать чипы с другими компонентами системы на скоростях до 16 Тбайт/с.

Основой данной технологии является фирменная разработка компании, позволяющая точно «сшивать» в пределах нескольких слоев SOI-кремния электрические соединения с многочисленными волноводами. Уже существующая в кремнии тестовая реализация Passage потребляет 21 Вт, позволяет устанавливать до 48 чиплетов площадью по 800 мм², обеспечивает каждое посадочное место 32 каналами с пропускной способностью 1024 Тбит/с, причём топологию интерконнекта можно динамически менять.

Тестовя подложка Passage, полученная из 300-мм пластины, содержит 288 лазеров мощностью 50 мВт каждый. Всего в состав системы входит 150 тыс. компонентов, и это заявка на абсолютный рекорд для фотонных чипов. Кроме того, новая технология совместима со стандартом UCIe — говорится о скорости 32 Гбит/с на линию. Впрочем, в случае простого SerDes-соединения, как считают создатели, этот показатель можно поднять до 112 Гбит/с.

Фотоника сулит немалые преимущества, и особенно ярко они проявятся в случае достижения высокой степени интеграции — если внешний источник лазерного излучения может существенно усложнить систему и сделать её более дорогой, то интегрированный на кремниевую пластину, напротив, многое упрощает.

Неудивительно, что разработчики, бьющиеся над созданием гибридных фотонных чипов, нацелены именно на такой вариант. Ранее мы рассказывали о варианте Synopsys и Juniper Networks, которые также планируют использовать интегрированные лазеры в рамках возможностей техпроцесса PH18DA компании Tower Semiconductor, а сейчас успеха добилась корпорация Intel.

Традиционные оптические модуляторы достаточно громоздки. Источник: Intel Labs

Научно-исследовательское подразделение компании, Intel Labs, сообщает, что на базе «существующего кремниевого-фотонного техпроцесса для пластин диаметром 300 мм» удалось создать интегрированный лазерный массив, работающий с восемью длинами волн. Это хорошо отработанная технология, на её основе Intel уже производит оптические трансиверы, что открывает дорогу к достаточно быстрому началу производству фотонных чипов со встроенными лазерными массивами.

Вариант Intel использует компактные кольцевые микромодуляторы. Источник: Intel Labs

В технологии используются лазерные диоды с распределённой схемой обратной связи (distributed feedback, DFB), которая позволяет добиться высокой точности как в мощности излучения в пределах 0,25 дБ, так и в спектральных характеристиках, где отклонения в границах используемых спектров не превышают 6,5%. Достигнутые параметры превышают аналогичные показатели классических полупроводниковых лазеров.

Компания также отмечает, что применённая ей новая технология кольцевых микромодуляторов, отвечающих за конверсию электрического сигнала в оптический, существенно компактнее более традиционных решений других разработчиков. Такой подход позволяет поднять удельную плотность фотонных линий передачи данных, то есть, при прочих равных условиях, чип, оснащённый интерконнектом Intel, будет иметь более «широкую» оптическую шину с более высокой пропускной способностью.

В технологии используется массив из 8 лазеров. Источник: Intel Labs

Технология гибридной фотоники со встроенными лазерами, использующая мультиплексирование с разделением по длине волны (dense wavelength division multiplexing, DWDM), делает высокоскоростной оптический интерконнект возможным, но до успеха Intel данная технология упиралась именно в точность разделения спектра и в достаточно высокое энергопотребление источников излучения.

В настоящее время уже ведутся работы по созданию специального чиплета, который позволит вывести оптический интерконнект за пределы кремниевой пластины, а это в перспективе даст возможность как для фотонного соединения между центральным процессором и памятью или GPU, так и для реализации будущих ещё более скоростных версий стандарта PCI Express или его наследника.

Дорога к высокоскоростному оптическому интерконнекту открыта! Источник: Intel Labs

Ayar Labs, один из пионеров в освоении гибридных электронно-оптических технологий однако считает, что у подхода Intel есть и недостатки. Сам по себе оптический интерконнект, конечно, может быть производительнее классического, и к тому же он не подвержен помехам. Однако лазерные диоды по природе своей достаточно капризны, а глубокая интеграция источника излучения в чип при выходе хотя бы одного лазера из строя делает всю схему бесполезной. В своих решениях Ayar Labs полагается на внешний лазерный модуль SuperNova.

За фотоникой будущее сетей и интерконнектов, это становится всё очевиднее по мере того, как игроки на рынке микроэлектроники создают альянсы для освоения этой «территории». Уже известен союз Ayar Labs и NVIDIA, теперь очередь дошла до Synopsys и крупного производителя сетевого оборудования Juniper Networks.

Эти компании объявили о заключении стратегического союза в области освоения фотонных технологий. Детищем альянса стала новая компания, названная OpenLight, в её состав вошло одно из подразделений Juniper, однако 75% активов OpenLight принадлежит Synopsys.

Источник: OpenLight

Название хорошо отражает цели OpenLight — речь идёт о разработке архитектурно открытых решений кремниевой фотоники, которые могут создаваться силами сторонних компаний на мощностях Tower Semiconductor. В планах компании создание высокопроизводительных фотонных чипов для рынка телекоммуникаций, систем лазерной навигации, здравоохранения, высокопроизводительных вычислений и оптических процессоров.

Сердцем этих разработок станет электронно-оптический модулятор на основе фосфида индия (InP), обеспечивающий меньшие потери сигнала и лучшие характеристики в сравнении с традиционными кремниевыми аналогами. Ключевой особенностью также считается использование интегрированного лазера, чего нет, например, у Ayar Labs. Технологический процесс PH18DA, используемый Tower Semiconductor позволит добиться такой интеграции, что в перспективе сделает кремниевую фотонику дешевле и доступнее.

Технологии OpenLight позволят создавать монолитные электронно-оптические чипы. Источник: OpenLight

Рабочие образцы первых оптических трансиверов класса 400G/800G на базе новой технологии, по словам представителей OpenLight, можно будет ожидать уже летом этого года. Тогда же компания обещает выпустить и первый многокомпонентный «кремний» на базе техпроцесса PH18DA — на одной пластине будут находиться чипов разных разработчиков. Такой подход позволит оптимизировать производственные расходы и снизить себестоимость готовых изделий.

Стоит отметить, что Tower Semiconductor вскоре будет приобретена Intel, которая (как и NVIDIA) кровно заинтересована в разработке кремниево-фотонных технологий и уже успела инвестировать в Ayar Labs вместе с GlobalFoundries, HPE, NVIDIA и Lockheed Martin. В прошлом году Cisco, ещё один крупный производитель сетевого оборудования, поглотил Acacia, компанию-разработчика в области кремниевой фотоники.

Канадский разработчик Xanadu продемонстрировал преимущества квантовых вычислений с помощью Borealis, первого фотонного квантового компьютера, обеспечивающего полную программируемость всех своих шлюзов. Чтобы наглядно показать, на что способен квантовый компьютер с 216 «сжатыми» кубитами, Xanadu сделала его доступным в публичном облаке Xanadu Cloud для всех желающих. Вскоре он также появится в облачном сервисе Amazon Braket.

Кроме того, Xanadu продемонстрировал так называемое квантовое превосходство (Quantum Supremacy) своего решения, запустив задачу, использующую метод выборки гауссовых бозонов (Gaussian boson sampling, GBS). Используя прямое численное моделирование, самый мощный суперкомпьютер в мире потратил бы около 9000 лет на получение одного результата, на что у Borealis уходит всего 36 мкс. Ранее о достижении квантового превосходства на компьютере Sycamore заявила Google, но впоследствии это заявление было опровергнуто. Затем о достижении этой вехи сообщил Китайский университет науки и технологии (USTC).

Источник изображения: Xanadu

Отличие архитектуры Borealis заключается в том, что она использует временное мультиплексирование для получения 216 запутанных кубитов, причём без необходимости создания специального оборудования для каждого отдельного кубита. Borealis можно запрограммировать с помощью ПО Xanadu Strawberry Fields, предназначенного для создания, моделирования и выполнения программ на фотонных квантовых компьютерах. Сейчас команда Xanadu занимается разработкой отраслевых приложений и работает над одной из монументальных проблем — созданием устойчивых к ошибкам квантовых вычислителей.

Ayar Labs — один из пионеров в области разработки и внедрения гибридных электронно-оптических технологий, на её счету создание реального фотонного трансивера TeraPHY. Также компания получила $130 млн инвестиций на развитие коммерческой фотоники.

В список главных инвесторов Ayar входит NVIDIA, и сейчас обе компании заявили о сотрудничестве, целью которого станет разработка систем фотонного интерконнекта. Они должны стать основой для ИИ и HPC-инфраструктуры будущего, как сочетающие в себе высокую пропускную способность, низкую латентность и сверхнизкий уровень энергопотребления. При этом переход подсистем I/O на фотонику позволит использовать более длинные кабели без потери производительности, а значит, упростит и удешевит компоновку ЦОД.

Источник: Ayar Labs

Как отметил ведущий архитектор ЦОД-отдела NVIDIA, Роб Обер (Rob Ober), за прошедшее десятилетие производительность, достигнутая решениями компании в области искусственного интеллекта, возросла в миллион раз, но следующий миллион потребует отказа от медной инфраструктуры, которая уже не сможет справиться с возрастающей сложностью и энергопотреблением таких систем.

Гибридный оптоэлектронный трансивер уже воплощён в кремнии. Источник: Ayar Labs

Предсказывается, что уже к 2023 году сложность моделей машинного обучения достигнет отметки 100 трлн связей, что в 600 раз больше рекордного показателя 2021 года, и эта цифра уже выходит за рамки возможностей современных технологий. Именно для преодоления этого барьера NVIDIA и заключила стратегический альянс с Ayar Labs — её разработки в области фотоники позволят поднять удельную пропускную способность I/O-подсистем в 1000 раз, но уровень энергопотребления при этом, напротив, сократится в 10 раз.

Конкретные сроки в анонсе, опубликованном Ayar Labs, не оговариваются, но промежуточные плоды нового союза, скорее всего, увидят свет в следующем году. Основания для такого оптимизма есть, так как рабочий прототип оптического трансивера на 1024 Тбит/с уже существует в кремнии, хотя и использует не слишком тонкий 45-нм техпроцесс.

Интерес к использованию фотоники в вычислительных системах растёт, и пионеры в этой сфере получают довольно солидное финансирование, как это не столь давно произошло с Ayar Labs, в которую HPE и NVIDIA вложили $130 млн. Стартап Salience Labs на днях от Cambridge Innovation Capital и Oxford Science Enterprises гораздо более скромную, но всё же значимую сумму — $11,5 млн в первом раунде инвестиций.

Изображения: Salience Labs

Образовалась Salience Labs совсем недавно, отпочковавшись от Оксфордского и Мюнстерского университетов в 2021 году. В штат компании вошли учёные, инженеры и программисты. Сейчас команда работает над созданием мультичипового процессора, объединяющего как традиционные электронные, так и фотонные компоненты. Причём последние, как раз ответственные за вычисления, стекируются вместе с SRAM. Более того, сделать это можно в рамках стандартного CMOS-процесса, что открывает путь к лёгкому масштабированию и относительно недорогому массовому производству.

Но и фотонная часть интересна сама по себе. Благодаря использованию широкополосного излучения, Salience Labs смогла уместить в один световой луч до 64 векторов, а уникальные схемы амплитудной модуляции позволяют, по словам компании, достичь частот в районе десятков гигагерц. Вкупе с массивно-параллельным подходом это позволит значительно ускорить расчёты (речь в первую очередь идёт о работе над матрицами).

Salience Labs надеется на скорейшую коммерциализацию своего решения, однако ей придётся побороться за место под солнцем. Так, фотонный ИИ-сопроцессор LightOn уже доступен для аренды, и он даже получил прописку в суперкомпьютере Jean Zay. Lightmatter, ещё один стартап в этой области, суммарно привлёк $113 млн в первых двух раундах инвестиций, а новичок Luminous Computing в раунде A получил сразу $105 млн.

Компания Ayar Labs, разработчик оптического чиплета-трансивера TeraPHY, объявила об успешном проведении раунда финансирования серии С, в результате которого было привлечено $130 млн. Полученные средства будут направлены на коммерциализацию её решений в области интегрированной кремниевой фотоники.

Возглавила раунд финансирования Boardman Bay Capital Management. В нём приняли участие Hewlett Packard Enterprise (HPE) и NVIDIA, которые присоединились к существующим стратегическим инвесторам Applied Ventures LLC, GlobalFoundries, Intel Capital и Lockheed Martin Ventures. HPE ранее уже объявила, что заинтересована в использовании решений компании в следующем поколении фирменного интерконнекта Slingshot.

Изображение: Ayar Labs

Билл Далли (Bill Dally), главный научный сотрудник и старший вице-президент по исследованиям в NVIDIA отметил, что Ayar Labs обладает уникальной IO-технологией, которая отвечает потребностям масштабирования архитектур следующего поколения на основе кремниевой фотоники. Он заявил, что оптическая связь будет иметь важное значение при масштабировании кластеров ускорителей для удовлетворения быстрорастущих потребностей рабочих нагрузок ИИ и высокопроизводительных вычислений (HPC).

Изображение: NVIDIA

Благодаря внедрению оптических трансиверов непосредственно в чипы решение Ayar Labs позволяет устранить узкие места при объединении массивов чипов, связанные с пропускной способностью, энергопотреблением, задержкой сигнала и дальностью связи. Продукты компании помогут создать новые, ранее нереализуемые решения для ИИ, HPC, облачных, телекоммуникационных, аэрокосмических и иных приложений.

Компания вместе с MACOM, Sivers Semiconductors и Lumentum работает над созданием лазеров SuperNova. Чиплеты будут производиться GlobalFoundries с использованием новой монолитной кремниевой фотонной платформы GF Fotonix. GlobalFoundries является стратегическим инвестором Ayar Labs, впрочем, как и Hewlett Packard через своё подразделение Hewlett Packard Pathfinder.