要打破內存墻，可以將HBM與DDR5融合

在 2024 年，如果需要將數十個(gè)、數百個(gè)、數千個(gè)甚至數萬(wàn)個(gè)加速器拼接在一起，那么互連就是個(gè)大課題了。

英偉達（Nvidia） 擁有 NVLink 和 InfiniBand。Google 的 TPU 吊艙使用光電路開(kāi)關(guān)（OCS）相互通信。AMD 擁有 Infinity Fabric，用于芯片到芯片、芯片到芯片以及即將推出的節點(diǎn)到節點(diǎn)流量。當然，還有好的老式以太網(wǎng)。

這里的訣竅不是構建足夠大的網(wǎng)格，而是抵御與離包相關(guān)的大量性能損失和帶寬瓶頸。它也沒(méi)有做任何事情來(lái)解決這樣一個(gè)事實(shí)，即所有這些 AI 處理所依賴(lài)的 HBM 內存都以固定的比例與計算相關(guān)聯(lián)。

「這個(gè)行業(yè)正在使用 Nvidia GPU 作為世界上最昂貴的內存控制器，」Dave Lazovsky 說(shuō)，他的公司 Celestial AI 剛剛在 USIT 和許多其他風(fēng)險投資巨頭支持的 C 輪融資中獲得了 1.75 億美元，以將其光子織物商業(yè)化。

去年夏天，我們研究了 Celestial 的光子結構，其中包括一系列硅光子學(xué)互連器、中介層和小芯片，旨在將 AI 計算從內存中分解出來(lái)。不到一年后，他們正在與幾家超大規?？蛻?hù)和一家大型處理器制造商合作，將其技術(shù)集成到他們的產(chǎn)品中。Lazovsky 沒(méi)有指名道姓。

但事實(shí)上，Celestial 將 AMD Ventures 視為其支持者之一，其高級副總裁兼產(chǎn)品技術(shù)架構師 Sam Naffziger 在公告發(fā)布的同一天討論了共同封裝硅光子小芯片的可能性，這無(wú)疑引起了一些人的注意。話(huà)雖如此，AMD 為光子學(xué)初創(chuàng )公司提供資金并不意味著(zhù)我們將永遠在 Epyc CPU 或 Instinct GPU 加速器中看到 Celestial 的小芯片。

雖然 Lazovsky 無(wú)法透露 Celestial 與誰(shuí)合作，但他確實(shí)提供了一些關(guān)于該技術(shù)如何集成的線(xiàn)索，以及即將推出的 HBM 內存設備的先睹為快。

正如我們在最初涉足 Celestial 的產(chǎn)品戰略時(shí)所討論的那樣，該公司的零件分為三大類(lèi)：小芯片、中介層和英特爾 EMIB 或臺積電 CoWoS 的光學(xué)旋轉，稱(chēng)為 OMIB。

不出所料，Celestial 的大部分吸引力都集中在小芯片上?！肝覀儧](méi)有做的是試圖強迫我們的客戶(hù)采用任何一種特定的產(chǎn)品實(shí)施。目前，為光子結構提供接口的風(fēng)險最低、最快、最不復雜的方法是通過(guò)小芯片，「Lazovsky 告訴 The Next Platform。

從廣義上講，這些小芯片可以以?xún)煞N方式使用：要么增加額外的 HBM 內存容量，要么作為芯片到芯片的互連，分類(lèi)或類(lèi)似于光學(xué) NVLink 或 Infinity Fabric。

這些小芯片比 HBM 堆棧小一點(diǎn)，提供光電互連，片外總帶寬為 14.4 Tb/s 或 1.8 GB/s。

話(huà)雖如此，我們被告知可以制造一個(gè)小芯片來(lái)支持更高的帶寬。第一代技術(shù)可以支持每平方毫米約 1.8 Tb/s 的速度。與此同時(shí)，Celestial 的第二代 Photonic 結構將從 56 Gb/s 提高到 112 Gb/s 的 PAM4 SerDes，并將通道數量從 4 個(gè)增加到 8 個(gè)，從而有效地將帶寬翻兩番。

因此，14.4 Tb/s 不是上限，而是現有芯片架構能夠處理的結果。這是有道理的，否則任何額外的容量都會(huì )被浪費。

這種連接性意味著(zhù) Celestial 可以實(shí)現類(lèi)似于 NVLink 的互連速度，只是沿途的步驟更少。

雖然芯片到芯片的連接相對不言自明——在每個(gè)封裝上放一個(gè)光子織物小芯片并對齊光纖連接——但內存擴展完全是另一種動(dòng)物。雖然 14.4 Tb/s 的速度并不慢，但對于多個(gè) HBM3 或 HBM3e 堆棧來(lái)說(shuō)，它仍然是一個(gè)瓶頸。這意味著(zhù)添加更多的 HBM 只會(huì )讓您的容量超過(guò)某個(gè)點(diǎn)。盡管如此，用兩個(gè) HBM3e 堆棧代替一個(gè)堆棧并不算什么。

Celestial 有一個(gè)有趣的解決方法，即它的內存擴展模塊。由于帶寬的上限為 1.8 GB/s，因此該模塊將僅包含兩個(gè)總計 72 GB 的 HBM 堆棧。此外，還將配備一組 4 個(gè) DDR5 DIMM，支持高達 2 TB 的額外容量。

Lazovsky 不愿將所有豆子都灑在產(chǎn)品上，但確實(shí)告訴我們，它將使用 Celestial 的硅光子學(xué)中介層技術(shù)作為 HBM，互連和控制器邏輯之間的接口。

說(shuō)到模塊的控制器，我們被告知 5nm 開(kāi)關(guān) ASIC 有效地將 HBM 變成 DDR5 的直寫(xiě)緩存?！杆鼮槟峁┝?DDR 的容量和成本以及帶寬和 HBM 互連的 32 個(gè)偽通道的所有優(yōu)勢，從而隱藏了延遲，」Lazovsky 解釋道。

他補充說(shuō)，這與英特爾對至強 Max 所做的或英偉達對其 GH200 超級芯片所做的事情相去不遠?！杆旧鲜且粋€(gè)增壓的 Grace-Hopper，沒(méi)有所有的成本開(kāi)銷(xiāo)，而且效率更高?！?/p>

效率提高多少？「我們的內存事務(wù)能量開(kāi)銷(xiāo)約為每比特 6.2 皮焦耳，而通過(guò) NVLink、NVSwitch 進(jìn)行遠程內存事務(wù)的開(kāi)銷(xiāo)約為 62.5 皮焦耳，」Lazovsky 稱(chēng)，并補充說(shuō)延遲也不高。

「這些遠程內存事務(wù)的總往返延遲，包括通過(guò)光子結構的兩次旅行和內存讀取時(shí)間，為 120 納秒，」他補充道：「因此，它將比大約 80 納秒的本地內存多一點(diǎn)，但它比去 Grace 并讀取參數并將其拉到 Hopper 要快?！?/p>

據我們了解，這些內存模塊中的 16 個(gè)可以嚙合并為一個(gè)內存交換機，并且可以使用光纖隨機播放連接多個(gè)這些設備。

這意味著(zhù)，除了計算、存儲和管理網(wǎng)絡(luò )之外，使用 Celestial 互連構建的芯片不僅能夠相互連接，而且能夠共享內存池。

「這允許你以一種非常非常有效的方式進(jìn)行機器學(xué)習操作，例如廣播和減少，而無(wú)需切換，」Lazovsky 說(shuō)。

Celestial 面臨的挑戰是時(shí)機。Lazovsky 告訴我們，他預計將在 2025 年下半年的某個(gè)時(shí)候開(kāi)始向客戶(hù)提供光子織物小芯片的樣品。然后，他預計至少還需要一年時(shí)間，我們才能看到使用該設計的產(chǎn)品投放市場(chǎng)，并在 2027 年實(shí)現銷(xiāo)量增長(cháng)。

然而，Celestial 并不是唯一一家追求硅光子學(xué)的初創(chuàng )公司。另一家獲得英特爾投資支持的光子學(xué)初創(chuàng )公司 Ayar Labs 已經(jīng)將其光子學(xué)互連集成到原型加速器中。

然后是 Lightmatter，它在去年 12 月獲得了 1.55 億美元的 C 輪融資，并試圖通過(guò)其 Passage 中介層做一些與 Celestial 非常相似的事情。當時(shí)，Lightmatter 首席執行官尼克·哈里斯（Nick Harris）聲稱(chēng)，它有客戶(hù)使用 Passage 來(lái)「擴展到 300,000 臺節點(diǎn)的超級計算機」。當然，和拉佐夫斯基一樣，哈里斯也不會(huì )告訴我們它的客戶(hù)是誰(shuí)。

還有 Eliyan，它正試圖通過(guò)其 NuLink PHY 完全擺脫中介層——或者如果你必須擁有它們，可以提高中介層的性能和規模。

無(wú)論誰(shuí)在這場(chǎng)競賽中脫穎而出，向共封裝光學(xué)器件和硅光子中介層的轉變似乎只是時(shí)間問(wèn)題。