Ayar Labs — один из самых перспективных стартапов в полупроводниковой индустрии, работающий над революционной технологией коупакованных оптических решений. Основанная в 2015 году, компания быстро привлекла внимание ведущих технологических гигантов благодаря уникальному подходу к решению одной из главных проблем современных вычислений: ограничению пропускной способности и энергоэффективности межчиповых соединений. Основатели Ayar Labs — ветераны Intel, IBM, Micron, а также ученые из MIT, Стэнфорда и Беркли — изначально поставили перед собой цель изменять архитектуру серверов и суперкомпьютеров с помощью оптики непосредственно на уровне упаковки чипов. По сути, команда взяла на себя задачу привнести в вычислительную индустрию технологию, давно ожидаемую, но оставшуюся крайне сложной в реализации — передачу данных по оптическим каналам в диапазоне от 1 до 10 сантиметров при одновременном снижении энергопотребления и увеличении пропускной способности. Проблема, которую решает Ayar Labs заключается в том, что коммуникация между процессорами, памятью и ускорителями в современных серверах становится узким горлышком, сдерживающим развитие вычислительной мощности.
Традиционные электрические межсоединения, пусть и усовершенствованные с применением высокоскоростных SerDes, теряют эффективность и потребляют чрезмерно много энергии, что тормозит масштабирование вычислительных систем. Переход на оптику в этом контексте кажется очевидным решением, однако сложность интеграции оптических компонентов в ограниченное пространство внутри процессорного пакета не позволяет широко внедрить эту технологию. Ayar Labs разработали уникальный co-packaged optics (коупакованная оптика) подход, который позволяет разместить оптические интерфейсы непосредственно в упаковке процессорного кристалла, что сокращает энергозатраты и повышает пропускную способность на порядок по сравнению с традиционными решениями. Компания уделила особое внимание не только технической части, но и созданию партнерских связей с ключевыми игроками отрасли. В их инвесторском портфеле — такие гиганты, как GlobalFoundries, Intel, Lockheed Martin, Applied Materials, а также, что особенно важно, Nvidia и Hewlett Packard Enterprise (HPE).
Последний раунд финансирования в 130 миллионов долларов подтвердил доверие к технологиям Ayar Labs со стороны таких крупных корпораций, что приносит проекту не только деньги, но и возможность совместного развития решений в области высокопроизводительных вычислений и сетевых технологий. Например, сотрудничество с HPE направлено на развитие новых архитектур суперкомпьютеров с использованием коупакованных оптических соединений, способных уменьшить энергопотребление и увеличить плотность передачи данных. Понимание сути проблемы легко получить, если рассмотреть эволюцию размеров чипов. В последнее десятилетие наблюдается тенденция к созданию больших кристаллов — это объясняется преимуществами внутренних проводников с низким энергопотреблением и высокой пропускной способностью. Однако масштабирование чипов ограничено технологическими и экономическими барьерами, а необходимость строить из множества разных кристаллов комплексные системы создает дополнительные сложности на уровне взаимодействия между ними.
Ayar Labs предлагает концепцию «суперчипов», когда крупные чипы соединяются между собой с помощью оптических каналов, обеспечивающих энергоэффективную и быструю передачу данных без значительных потерь. Это меняет классическую иерархию вычислительных систем, где каждый сервер функционирует отдельно и только частично обменивается информацией с другими. Оптический интерфейс TeraPHY, разработанный Ayar Labs, является квинтэссенцией их инноваций. Маленький по площади, всего 75 квадратных миллиметров чип способен обеспечивать пропускную способность в 2 терабита в секунду через восемь одномодовых волокон, что в два раза меньше, чем для типичного оптического трансивера со скоростью 200 гигабит в секунду и при этом с минимальным энергопотреблением — менее 5 пикоДж на бит. Такой уровень энергоэффективности превосходит традиционные синхронизационные решения в несколько раз, что позволяет существенно экономить ресурсы в дата-центрах и суперкомпьютерах.
Очень важной технологической особенностью стало использование микро-кольцевых модуляторов вместо громоздких традиционных мадленцевских (Mach-Zehnder) модуляторов. Благодаря микрокольцевым элементам удалось достичь высокой плотности каналов в одном оптическом чипе и снизить энергопотребление, хотя производство таких модулей на уровне надежности и выхода годных изделий долго оставалось серьезной проблемой. Здесь ключевую роль сыграла тесная работа с GlobalFoundries, которая обеспечила производство с применением температурного контроля и точного калибрования каждого модуля, что позволяет поддерживать стабильность передаваемых оптических сигналов. Отдельно стоит отметить стратегию использования внешних лазеров вместо интегрированных внутри модуля. Несмотря на то, что некоторые лидеры рынка, например Intel, интегрируют лазеры непосредственно в оптические трансиверы, Ayar Labs выбрали путь повышения надежности системы за счет раздельного размещения лазеров.
Это существенно снижает вероятность отказывания устройства, поскольку лазер, являющийся наиболее уязвимым элементом оптической цепи, легко заменяется без необходимости замены всего оптического модуля. Международный стандарт CW-WDM MSA, поддерживаемый многими компаниями, предоставляет широкий выбор коммерчески доступных лазеров, что позволяет производить оптические системы с высокой устойчивостью и минимальными затратами на обслуживание. Важным аспектом подхода Ayar Labs является открытость стандарта UCIe (Universal Chiplet Interconnect Express), который поддерживается рядом ведущих производителей процессоров и компонентов, таких как Intel, AMD, Broadcom, а также многих производителей упаковочных решений. Терафизические чиплеты Ayar Labs могут легко интегрироваться в многочиповые пакеты, используя этот универсальный протокол, что значительно расширяет возможности кастомизации и масштабирования вычислительных решений. Возможность передачи протоколов от PCIe и CXL до NVLink открывает перспективы для масштабных GPU-кластеров Nvidia с огромной плотностью связей и сверхнизкой задержкой.
Отдельно заслуживает внимания сотрудничество с Nvidia, которая несмотря на наличие собственных разработок в области оптических технологий и многочисленных приобретений в этой сфере, видит стратегическую ценность в партнерстве с Ayar Labs. Применение предложенного решения может значительно расширить возможности межчипового взаимодействия в их супервычислительных платформах, таких как Hopper с NVLink. Появление эффективных и масштабируемых денег коупакованных оптических интерфейсов позволит Nvidia и её партнерам снизить энергопотребление своих систем, повысить производительность и упростить архитектуру дата-центров. Стоит понимать, что коупакованная оптика — это не просто замена медных или традиционных оптоэлектронных трактов. Это фундаментальное изменение архитектуры вычислительных систем, при котором отказ от громоздких, энергоемких и дорогостоящих традиционных подходов к перемещению данных открывает путь к созданию «моря» вычислительных ресурсов, которые могут свободно обмениваться информацией с минимальными задержками и энергозатратами.
Это меняет модель развития дата-центров и суперкомпьютеров: от набора отдельных серверов с жестко заданной иерархией к динамически настраиваемым, масштабируемым и энергоэффективным объединениям процессоров, памяти и сетей. Исторически сектор высокопроизводительных вычислений столкнулся с ограничениями масштабируемости, связанными с ростом энергопотребления канальной связи, что сдерживало развитие и подъем к новым уровням вычислительной мощности. Ayar Labs своим решением стирают эти барьеры, формируя технологическую базу для грядущих десятилетий развития ИИ, аналитики больших данных, симуляций и других вычислительно интенсивных задач. Экономическая сторона вопроса также важна. Использование интегрированной коупакованной оптики позволяет снизить общую стоимость систем за счет уменьшения площади процессорного кристалла, отказа от сложных высокоскоростных SerDes и уменьшения затрат на сложные оптические трансиверы и коммутаторы.
