Es werde Licht! Intel setzt auf Silizium­photonik mitsamt On-Chip-Lasertechnik

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Das Rennen um das beste optische Interconnect für KI- und HPC-Arbeitslasten hat begonnen. Intel hat auf der „Optical Fiber Communication Conference“ (OFC) 2024 im kalifornischen San Diego das weltweit erste vollständig integrierte OCI-Chiplet („Optical Compute Interconnect“) vorgestellt. Diese Innovation kombiniert Siliziumphotonik und elektrische Schaltkreise zu einem kompakten und hocheffizienten System mit Blick auf die Anforderungen von KI- und HPC-Anwendungen.

Während elektrische Verbindungen mit Kupfer aufgrund physikalischer Grenzen oft auf Reichweiten von einem Meter beschränkt sind, kann Siliziumphotonik wesentlich höhere Distanzen verlustfrei überbrücken. Optische Technologie eröffnet somit neue Möglichkeiten für Anwendungsfälle wie xPU-Cluster, Memory Pooling und GPU-Disaggregation. Die Technologie schafft CPU- und GPU-Cluster mit einer hohen Leistung Energie-effizient miteinander zu verbinden.

Die Intel-Technik adressiert die Herausforderungen der KI-Modellierung, die immer mehr Bandbreite verschlingt und stets niedrigere Latenzen verlangt. Denn anders als bei elektrischen Verbindungen bleibt die Übertragung über Lichtsignale nahezu verlustfrei und kann mit einer beachtlichen Skalierbarkeit auftrumpfen.

Überwinden von Bandbreitenengpässen, Senken des Energieverbrauch

Das OCI-Chiplet ist ein Prototyp, den Intel in Zusammenarbeit mit seinen Technologiepartnern entwickelt hatte. Das Prototyp ermöglicht eine bidirektionale Datenübertragung von 4 Terabit pro Sekunde (Tbps) über 64 Kanäle mit jeweils 32 Gbit/s über Glasfaser mit einer Reichweite von bis zu 100 Metern.

Der Einsatz von DWDM-Technologie (Dense Wavelength Division Multiplexing) steigert die Effizienz, während der Energieverbrauch auf nur 5 pJ pro Bit sinkt. Das ist ein Bruchteil im Vergleich zu herkömmlichen optischen Transceivern.

Ein Alleinstellungsmerkmal des OCI-Chiplet von Intel ist die direkte Integration von On-Chip-Lasern. Dieser Ansatz würde die Effizienz optischer I/O-Systeme „enorm“ steigern, erläutert Thomas Liljeberg, Senior Director für Produktmanagement und Strategie bei Integrated Photonics Solutions (IPS) Group von Intel. Externe Laser, die über Glasfaserkabel an Chips angeschlossen werden, verursachen nämlich erhebliche Kopplungsverluste. Es sei „ineffizient, wenn man die Hälfte des erzeugten Lichts direkt wieder verliert, bevor man überhaupt damit arbeitet“, so Liljeberg. Durch die Integration von Laserquellen direkt auf dem Chip wird das OCI-Chiplet zu einem vollständigen optischen Subsystem, welches externe Laserquellen überflüssig macht und Kopplungsverluste auf ein Minimum drosselt.

Die Silizium-Nachfolge

Halbleiter aus Glas

Intels Ansatz erleichtert nebenbei auch die Produktion im Wafer-basierten Fertigungsprozess. Das senkt wiederum die Kosten.

Intel greift bei dem Projekt auf über 20 Jahre Forschung und acht Jahre Erfahrung mit Siliziumphotonik-Transceivern zurück. Intel hat mehr als acht Millionen photonische Schaltkreise ausgeliefert. Über 32 Millionen integrierte Laser arbeiten in Intels Transceivern in Rechenzentren auf der ganzen Welt.

Zwar hat sich Intel Ende 2023 aus dem Markt für steckbare Module zurückgezogen, doch die Technologie lebt weiter: Intel beliefert nach wie vor Modulhersteller mit photonischen Chips und Chipsets. Diese Erfahrungen haben das Unternehmen auf den nächsten Schritt vorbereitet: Die Entwicklung des OCI-Chiplets für KI-Infrastrukturen. „Seit wir unser erstes Transceiver-Modul ausgeliefert haben, wussten wir, dass dieser Moment kommen wird“, sagte Liljeberg. „Die letzten acht Jahre haben wir genutzt, um uns darauf vorzubereiten.“

Im Rahmen einer Umstrukturierung hat Intel seine Sparte für steckbare optische Transceiver-Module im Oktober 2023 an Jabil Inc. abgestoßen. Diese Transceiver, die Intel über Jahre selbst produzierte, wurden in Anwendungen mit 100G, 200G und 400G eingesetzt, um Verbindungen über Glasfaserkabel herzustellen.

Investitionen für die Zukunft

Jabil erweitert seine Silicon Photonics-Kapazitäten

Bem Intel-OCI-Chiplet handelt es sich um eine vollständig integrierte Lösung, die optische I/O-Funktionalität direkt in Prozessoren oder SoCs integriert. Diese Technologie nutzt Siliziumphotonik, um Lichtsignale für die Datenübertragung zu verwenden und sie direkt mit den Recheneinheiten zu koppeln, ohne dass externe Transceiver-Module erforderlich sind.

Auch wenn die Photonik nicht nur für KI-Anwendungen interessant ist, sieht Intel eben hier die größten Chancen. Die Technologie kann nicht nur bestehende Systeme skalieren; sie bietet vielmehr das Potenzial, die Art und Weise, wie Rechenzentren aufgebaut sind, grundlegend zu verändern.

Die Mitbewerber sind auf den Fersen

Die Einführung des OCI-Chiplets markiert für die Branche den Beginn einer neuen Ära. Mit integrierten optischen Technologien hofft Intel, die Skalierbarkeit von KI- und HPC-Infrastrukturen auf ein neues Niveau zu heben. Intel stärkt damit seine Position als Innovationsführer im Bereich der I/O-Photonik.

Laut Liljeberg soll der Einsatz von Licht als Medium der Datenübertragung „die nächste Entwicklungsstufe des Rechenzentrums“ einläuten. Dank höherer Bandbreiten, dem niedrigeren Energieverbrauch und größeren Reichweiten wird die OCI-Technologie zu einem Schlüsselbaustein für zukünftige AI-Infrastrukturen und Hochleistungsrechner.

Das Aufkommen generativer KI, darunter großer Sprachmodelle wie „GPT-4“, mit ihrem enormen Appetit auf Daten, bringt moderne Rechenzentren an ihre Leistungsgrenzen. Diese Workloads stellen nicht nur die Bandbreitenkapazitäten auf eine harte Probe, sondern treiben auch den Energieverbrauch in die Höhe. Letzteres zieht einen Rattenschwanz von Problemen nach sich.

Während Unternehmen wie Ayar Labs, Lightmatter und Celestial AI ebenfalls an photonischen Lösungen arbeiten, hebt sich Intel durch den Einsatz seiner CMOS-Fertigungstechnologie und damit einer kosteneffizienten Fertigung ab.

Was machen TSMC und AMD?

Auch AMD und TSMC treiben eigene photonische Technologien voran, um die Engpässe elektrischer Verbindungen zu überwinden. AMD arbeitet daran, photonische Komponenten direkt in SoCs (System-on-Chip) zu integrieren. Ein Patent des Unternehmens beschreibt die Kombination von photonischen Chips und konventionellen Silizium-Chips über einen organische Redistribution Layer (ORDL).

Diese Struktur ermöglicht es, Lichtsignale direkt in die Logikschaltkreise zu leiten, was zu geringeren Latenzen und höherer Energie-Effizienz führen soll. AMD verfolgt damit das Ziel, die Skalierbarkeit und Leistungsfähigkeit zukünftiger Computing-Architekturen zu verbessern und Stromverbrauch sowie Kühlanforderungen zu minimieren.

TSMC konzentriert sich auf Co-Packaged Optics mit Blick auf das eigene Kerngeschäft der Halbleiterfertigung. Mit der „Compact Universal Photonic Engine“ (Coupe) hat TSMC eine Technologie entwickelt, die optische Verbindungen direkt auf Chip-on-Wafer-on-Substrate (CoWoS)-Plattformen ermöglicht. Die TSMC-Technik steigert die Bandbreite in der dritten Generation auf bis zu 12,8 Tbps – das ist mehr als das Dreifache, was Intel bieten kann, beschränkt jedoch optische Verbindungen auf Motherboard-Ebene.

Langer Atem

TSMC verfolgt mit Coupe eine längerfristige Vision in drei Phasen. Die erste Generation bietet eine Datenrate von 1,6 Tbps, was bereits das Doppelte der aktuellen kupferbasierten Ethernet-Produkte darstellt. Diese Version ist für OSFP-Steckmodule (Octal Small Form Factor Pluggable) vorgesehen und bietet eine Schnittstelle für optische Verbindungen auf Steckmodul-Ebene.

Die zweite Generation nutzt CoWoS-Packaging (Chip-on-Wafer-on-Substrate), um optische Verbindungen auf Motherboard-Ebene zu ermöglichen, und soll die Übertragungsrate auf 6,4 Tbps anheben. CoWoS-Packaging bringt die optische I/O-Technologie näher an Schaltelemente wie Switches und Prozessoren, um sie für KI- und HPC-Arbeitslasten enger miteinander zu verknüpfen. Die Technologie befindet sich noch in einer frühen Entwickungsphase.

Intel ist TSMC vorausgesprintet – mit einer Reichweite in Serverraum-Dimensionen. Intels Lösung adressiert HPC-Datencenter, Hyperscaler und andere KI-Fabriken. TSMCs Kunden sind „fabless“ Chip-Designstudios.

Beide Ansätze könnten sich in Zukunft ergänzen.

Der Übergang zu Siliziumphotonik ist eine langfristige Investition, die anfänglich hohe Entwicklungskosten auf den Plan ruft. Doch der Kurs ist klar: Wer in den kommenden Jahren vorn mitspielen will, muss bereits heute auf Photonik setzen.

Kein Weg daran vorbei

Die strategische Entscheidung von Intel, Initiativen rund um die Siliziumphotonik in die Sparte Data Centre and Artificial Intelligence Division (DCAI) einzugliedern, hat diese Technologie auf den Status des Kerngeschäfts erhoben. Das Ziel besteht darin, die Entwicklung photonischer Lösungen eng mit den strategischen Geschäftszielen zu verzahnen, um die langfristige Wettbewerbsfähigkeit zu sichern.

Während Start-ups wie Ayar Labs, Celestial AI und Lightmatter an ähnlichen photonischen Lösungen arbeiten, trumpft Intel gegenüber diesen Unternehmen mit seiner CMOS-Fertigungstechnologie auf. Diese Produktionsprozesse sorgen nicht nur für hohe Effizienz, sondern senken auch die Herstellungskosten. Das OCI-Chiplet soll nicht nur bestehende Systeme ergänzen, sondern schafft neue Möglichkeiten für xPU-Disaggregation und Memory Pooling – zwei Schlüsseltechnologien für zukünftige AI-Workloads.

Diese Entwicklungen positionieren Intel als führenden Akteur im Bereich optischer I/O-Technologien und stärken seine Rolle im Markt für photonische Lösungen. Die Tests mit Partnern markieren den Anfang einer umfassenden Transformation.

Die Pole-Position

Die Krönung der langfristigen Roadmap von Intel sind 32-Tbps-Chiplets auf der Basis von Siliziumphotonik. Die kommenden Generationen sollen ebenfalls die DWDM-Technologie (Dense Wavelength Division Multiplexing) nutzen, um die Datendichte zu maximieren, und eine tiefere Integration in Compute-Plattformen mit sich bringen.

Das OCI-Chiplet im Intels Prototypen enthält über 2.000 integrierte Bauteile. Doch die Integration endet nicht an den Grenzen des Chiplets: Auch die Fähigkeit, komplexe Stapel von Chips zu bauen und diese nahtlos mit den Compute-Plattformen zu verbinden, bestätigt Intels technologische Führerschaft.

„Erfolg in diesem Markt bedeutet, die gesamte Wertschöpfungskette zu beherrschen – von der Fertigung über das Packaging bis hin zur Systemintegration“, betont Liljeberg.

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