인텔이 확장 가능한 AI 인프라를 위한 최초의 완전 통합형 광학 입출력(I/O) 칩렛(Chiplet)을 구현했다고 발표했다.
인텔은 고속 데이터 전송을 위한 통합 포토닉스(integrated photonics) 기술에서 혁신적인 이정표를 달성했다. 미국 샌디에이고에서 개최된 광통신 전시회 ‘OFC 2024(Optical Fiber Communication Conference 2024)’에서 인텔 IPS(Integrated Photonics Solutions) 그룹은 업계 최초로 완전 통합 광학 컴퓨트 인터커넥트(Optical Compute Interconnect, 이하 OCI) 칩렛을 인텔 CPU에 코-패키징(co-packaged)하여 실시간 데이터를 실행하는 최첨단 기술을 시연했다. 인텔의 OCI 칩렛은 데이터 센터 및 고성능 컴퓨팅(HPC) 애플리케이션을 위해 새롭게 등장하는 AI 인프라에서 코-패키징된 광학 I/O을 지원함으로써 고대역폭 인터커넥트의 비약적인 발전을 보여준다.
최초로 선보인 OCI 칩렛은 최대 100m의 광섬유에서 각 방향으로 32Gbps 데이터 전송 64채널을 지원하도록 설계되었으며, 더 높은 대역폭, 더 낮은 전력 소비, 더 긴 도달 거리에 대한 AI 인프라의 수요를 충족시킬 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 일관된 메모리 확장 및 리소스 분리를 포함한 새로운 컴퓨팅 아키텍처와 CPU/GPU 클러스터 연결의 향후 확장성을 지원한다.
AI 기반 애플리케이션들은 전 세계적으로 점점 더 많이 배포되고 있으며, 최근 대형언어모델(LLM) 및 생성형 AI의 개발이 이러한 트랜드를 가속화하고 있다. 더 규모가 크고 효율적인 머신러닝(ML) 모델들이 AI 가속 워크로드의 새로운 요구 사항을 해결하는 데 중요한 역할을 할 전망이다. AI를 위한 미래 컴퓨팅 플랫폼 확장 필요성으로 인해 I/O 대역폭이 기하급수적으로 증가하고 있으며, xPU 분리(disaggregation) 및 메모리 풀링(memory pooling)과 같은 보다 효율적인 리소스 활용으로 더 큰 처리 장치(CPU/GPU/IPU) 클러스터 및 아키텍처를 지원하기 위해 더 긴 도달 거리가 요구되고 있다.
전기 I/O(예: 구리 트레이스 연결)는 고대역폭 집적도와 저전력을 지원하지만 약 1미터 이하의 짧은 거리까지만 제공한다. 데이터 센터 및 초기 AI 클러스터에 사용되는 플러그형 광 트랜시버 모듈(Pluggable optical transceiver modules)은 AI 워크로드에 필요한 확장 요건에 따라 거리를 늘릴 수 있으나 비용과 전력이 지속 가능하지 않은 수준이다. 코-패키징 xPU 광학 I/O 솔루션은 바로 AI/ML 인프라 확장에 필수적인 향상된 전력 효율성, 낮은 대기 시간, 더 긴 도달 거리 및 대역폭을 지원할 수 있다.
예를 들면 데이터 전송을 위해 CPU와 GPU에서 전기 I/O를 광학 I/O로 교체하는 것은 용량과 범위가 제한된 상품을 배포하기 위해 마차를 사용하는 것에서 훨씬 더 많은 양의 물건을 더 멀리까지 전달할 수 있는 자동차와 트럭을 사용하는 것으로 바뀌는 것으로 비유할 수 있다. 이러한 수준의 향상된 성능과 에너지 비용을 인텔 OCI 칩렛과 같은 광학 I/O 솔루션이 AI 확장에 가져올 수 있다.
통합된 OCI 칩렛은 현장에서 입증된 인텔의 실리콘 포토닉스 기술을 활용하고 온칩 레이저 및 광 증폭기를 포함하는 실리콘 포토닉스 집적회로(PIC)를 전기 IC와 통합시킨다. OFC에서 구현된 OCI 칩렛은 인텔 CPU와 함께 패키징 되었지만, 차세대 CPU, GPU, IPU 및 기타 SOCs(시스템온칩)와 통합할 수도 있다.
이번 최초 통합 OCI 칩렛은 최대 4Tbps 양방향 데이터 전송을 지원하며 PCIe(peripheral component interconnect express) 5세대와 호환된다. 시연에서 실시간 광 링크는 단일 모드 광섬유(SMF) 패치 코드를 통해 두 CPU 플랫폼 간의 송신기(Tx) 및 수신기(Rx) 연결을 보여주었다. CPU는 광학 비트 오류율(Bit Error Rate, BER)을 생성하고 측정했으며, 데모에서는 강력한 신호 품질을 보여주는 32Gbps Tx 아이(eye) 다이어그램과 함께 단일 광섬유에서 200GHz 간격의 8개 파장을 사용하는 Tx 광학 스펙트럼을 시연했다.
현재 칩렛은 각각 8개의 고집적도 파장 분할 다중화(DWDM) 파장을 전달하는 8개의 광섬유 쌍을 활용하여 최대 100m(실제 적용은 전파 시간 지연으로 인해 수십 미터로 제한될 수 있음)까지 각 방향으로 32Gbps 데이터의 64개 채널을 지원한다. 또한, 코패키징 솔루션은 에너지 효율이 매우 뛰어나며, 플러그형 광 트랜시버 모듈의 약 비트당 15 피코줄(pJ)에 비해 비트당 5 피코줄(pJ)만 소비한다. 이러한 수준의 초고효율은 데이터센터와 고성능 컴퓨팅 환경에 매우 중요하며, AI의 지속 불가능한 전력 요구 사항을 해결하는 데 도움이 될 수 있다.
실리콘 포토닉스 시장의 선두주자인 인텔은 통합 포토닉스를 개척한 인텔 랩스(Intel Labs)의 25년 이상의 내부 연구를 활용하고 있다. 인텔은 업계 최고의 신뢰성을 갖춘 실리콘 포토닉스 기반 연결 제품을 개발하여 주요 클라우드 서비스 제공업체에 대량으로 공급한 최초의 기업이다.
인텔의 주요 차별화 요소는 하이브리드 레이저 온 웨이퍼(laser-on-wafer) 기술을 사용한 탁월한 통합과 직접 통합을 통해 신뢰성을 높이고 비용을 절감할 수 있다는 점이다. 이러한 고유의 접근 방식을 통해 효율성을 유지하면서 뛰어난 성능을 제공할 수 있다. 인텔의 강력한 대용량 플랫폼은 3,200만 개 이상의 통합 온칩 레이저가 탑재된 800만 개 이상의 PIC를 제공하며, 0.1 미만의 레이저 FIT(failures-in-time, 오류율을 나타내는 널리 사용되는 신뢰성 척도)를 자랑한다.
이러한 PIC는 플러그형 트랜시버 모듈로 패키징되어 주요 하이퍼스케일 클라우드 서비스 제공업체의 대규모 데이터센터 네트워크에 배치되어 초당 100, 200 및 400 Gbps 애플리케이션에 사용되고 있다. 새롭게 부상하는 800Gbps 및 1.6Tbps 애플리케이션을 지원하기 위한 차세대 200G/lane PIC가 개발 중이다.
인텔은 또한 최첨단(state-of-the-art, SOA) 디바이스 성능, 더 높은 집적도, 더 나은 결합, 대폭 개선된 경제성을 갖춘 새로운 실리콘 포토닉스 팹 공정 노드를 구현하고 있다. 인텔은 온칩 레이저 및 SOA 성능, 비용(다이 면적 40% 이상 감소), 전력(15% 이상 감소)을 지속적으로 발전시키고 있다.
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