Abbildung 1: Hauptvorteile der Dense Wavelength Division Multiplexing Co-Packaged Optics (DWDMCPO). (Bildnachweis: Scintil Photonics)
Im Bereich der Rechenzentrumsplanung gibt es ein Sprichwort: „Verwenden Sie Kupferkabel, wo immer möglich, und greifen Sie nur dann auf optische Technologie zurück, wenn Glasfaser unbedingt erforderlich ist.“ Der pragmatische Ansatz der Branche besteht seit Jahren darin, kostengünstigen Kupferkabeln den Vorzug zu geben, bis die Gesetze der Physik ein technologisches Upgrade erzwingen. Aber heute, da sich Rechencluster mit künstlicher Intelligenz (KI) in Richtung „Rechenfabriken“ bewegen, in denen Millionen von Grafikprozessoren (GPUs) eingesetzt werden, und die Kosten-effektivität von Rechenzentren einem enormen Druck ausgesetzt ist, stellen die Menschen fest, dass dieser technologische Wendepunkt, an dem es keine-Optiken-Alternativen gibt, viel früher gekommen ist, als irgendjemand erwartet hätte.
Netzwerkarchitekten sind sich seit langem bewusst, dass Kupferkabel in Hochgeschwindigkeitsszenarien erhebliche Einschränkungen hinsichtlich der Übertragungsentfernung aufweisen, aber nur wenige haben die zugrunde liegenden Ursachen aus einer grundlegenden physikalischen Perspektive analysiert. Obwohl Netzwerkingenieure mit ihrem Fachwissen die Grenzen der Übertragungsentfernung und Bandbreite von Kupferkabeln auf die Spitze getrieben haben, können die Beschränkungen der physikalischen Gesetze nicht überwunden werden; Selbst die ausgeklügeltsten technischen Konstruktionen haben Schwierigkeiten, die inhärenten Einschränkungen von Kupferkabeln zu überwinden. Dieses Verständnis erklärt, warum die Branche dringend auf die Co-Packaged Optics (CPO)-Technologie umsteigt.
Je höher die Frequenz der über Kupferkabel übertragenen elektrischen Signale ist, desto höher sind Symbolrate und Bandbreite und desto mehr Informationen können übertragen werden. Das Problem besteht darin, dass mit zunehmender Signalfrequenz die Übertragungsentfernung deutlich abnimmt. Es gibt zwei Hauptursachen für Signalverlust: den Skin-Effekt und den dielektrischen Verlust.
Hauteffekt: Die „Oberflächenkonzentration“ des Stroms
Wenn ein Wechselstromsignal durch ein Kupferkabel geleitet wird, induziert das sich ändernde Magnetfeld Wirbelströme im Leiter. Das durch diese Wirbelströme erzeugte Magnetfeld hebt das Signalmagnetfeld in der Mitte des Kabels auf. Je schneller sich das Signalmagnetfeld ändert-d. h. je höher die Frequenz-desto stärker wird dieser Löscheffekt.
Die direkte Folge ist, dass der Strom in eine extrem dünne Oberflächenschicht des Leiters „gequetscht“ wird; Die Dicke dieser Schicht wird als Hauttiefe bezeichnet. Die aktuelle Signalübertragung in KI-Rechenzentren nutzt üblicherweise Frequenzen um 53 GHz. Bei dieser Frequenz beträgt die Eindringtiefe von Kupferkabeln nur 0,3 μm. Eine so dünne Übertragungsschicht beansprucht weniger als 1 % der Querschnittsfläche des Leiters, wodurch der Widerstand des Kabels in die Höhe schnellt und sogar den Gleichstromwiderstand um mehr als das Hundertfache übersteigt.
Dielektrischer Verlust: „Energiedissipation“ in der Isolationsschicht
Ein weiterer Hauptgrund für die Signaldämpfung in Kupferkabeln ist der dielektrische Verlust. In Hochfrequenzszenarien im Gigahertz-Bereich können die Moleküle im isolierenden Dielektrikum des Kabels nicht mit den schnellen Schwankungen des elektrischen Feldes Schritt halten. Die Verzögerung zwischen den schnellen Schwankungen des elektrischen Feldes und der verzögerten Reaktion der Moleküle wandelt die elektromagnetische Energie des Signals in thermische Energie um, was zu Energieverlusten führt.
Doppelte Verluste: Die fatale Schwäche von Kupferkabeln
Wenn der Skin-Effekt und der dielektrische Verlust zusammenwirken, nimmt der Signalverlust in Kupferkabeln mit steigender Frequenz exponentiell zu.
Um dies deutlich zu veranschaulichen: Bei einer Frequenz von 50 GHz verbraucht der kombinierte Verlust aus diesen beiden Effekten selbst bei hochwertigen Kupferkabeln über 90 % des Signalleistungsbudgets innerhalb einer Übertragungsentfernung von 2 Metern. Die physikalischen Eigenschaften von Kupferkabeln gebieten einen unüberbrückbaren Kernwiderspruch: Bandbreite und Übertragungsentfernung können nicht gleichzeitig erreicht werden.
Dense Wavelength Division Multiplexing Co-Packaged Optics (DWDMCPO)
Heutzutage hat sich der Leistungsengpass für KI-Trainingscluster von Gleitkommaoperationen pro Sekunde (FLOPS) auf Bandbreitenanforderungen verlagert.
In skalierbaren Netzwerken mit konsistentem Speicher ist eine neue Generation von Netzwerktechnologie erforderlich, um mehreren Anforderungen gerecht zu werden:
|Da der Stromverbrauch zu einem begrenzenden Faktor bei der Bereitstellung von Rechenzentren wird, ist ein geringerer Stromverbrauch pro Bit erforderlich.
| Da Gleitkommaoperationen nicht mehr den Engpass darstellen, muss für jeden Prozessor eine größere Bandbreite bereitgestellt werden.
| Da der physische Platz für den Glasfasereinsatz begrenzt wird, muss eine höhere Integrationsdichte erreicht werden.
| Um eine rackübergreifende horizontale Skalierung zu ermöglichen, müssen längere Übertragungsentfernungen unterstützt werden.
| Um die Konsistenz der Speicherdomäne aufrechtzuerhalten und die GPU-Auslastung zu verbessern, ist eine extrem niedrige Tail-Latenz erforderlich.
| Auch eine hohe Zuverlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit sind unerlässlich.
Wenn die Endlatenz zu einer zentralen Einschränkung wird, wird die Erfüllung der oben genannten Anforderungen die GPU-Auslastung erheblich steigern (einige Modellschätzungen deuten darauf hin, dass sich die Auslastung mehr als verdoppeln kann), den Stromverbrauch des Netzwerks erheblich reduzieren und die End{0}}zu{1}}Leistung des Modells verbessern. Derzeit ist DWDMCPO der einzige technische Ansatz, der diese strengen Anforderungen gleichzeitig erfüllen kann, und wird den Betreibern von Hyperscale-Rechenzentren weitreichende -Kosten-{4}}Nutzentransformationen bringen.
Durch die Übertragung mehrerer Lichtwellenlängen über eine einzige Faser stellt die DWDMCPO-Technologie jeder GPU mehrere breite Kanäle mit niedriger Geschwindigkeit zur Verfügung. Durch die Skalierung der Anzahl der übertragenen Wellenlängen von 1 auf 8, 16 oder sogar mehr ist dieses geometrische Skalierungsmuster bereit, KI-Netzwerke zu revolutionieren, so wie die DWDM-Technologie vor 25 Jahren das Internet-Backbone revolutionierte.
Die Einzelkanal-Übertragungsrate von DWDM beträgt etwa 50–64 Gbit/s und fällt damit in die Kategorie der Niedriggeschwindigkeitsübertragung. Diese Eigenschaft ermöglicht es Ingenieuren, das Datenkodierungsschema von PAM4 zu NRZ zu vereinfachen. Durch diese Vereinfachung entfallen mehrere kostspielige und energieintensive Signalverarbeitungsstufen, wodurch durch die Rationalisierung des Signalübertragungspfads eine doppelte Reduzierung des Stromverbrauchs und der Latenz erreicht wird.
Die Tail-Latenz ist der „stille Killer“, der den ROI des Rechenzentrums schmälert. Wenn GPU-Cluster Datentoken verarbeiten, benötigen sie eine kontinuierliche, vorhersehbare Bitstream-Eingabe. Wenn bei einem einzelnen Bit eine Übertragungsverzögerung auftritt, wird der Rest des Clusters inaktiv, was die Prozessorauslastung erheblich verringert. Wenn die Anzahl der Prozessoren in einem Cluster zunimmt, steigt die Wahrscheinlichkeit einer Tail-Bit-Latenz auf p999-Ebene erheblich und die Prozessorauslastung nimmt entsprechend ab.
Ohne DWDMCPO-Technologie mit geringer Latenz, geringem Stromverbrauch und großer Reichweite wäre die Skalierbarkeit von Netzwerken begrenzt und die Leistung großer Sprachmodelle (LLMs) wäre folglich eingeschränkt. Größere-skalierbare, flachere-skalierbare Netzwerke mit geringer-Latenz können größere Schlüsselwert-Caches unterstützen, wodurch die Größe des Kontextfensters und die Inhaltsrelevanz des Modells direkt erhöht werden, wodurch der effektive Arbeitsspeicher des LLM effektiv erweitert wird. Eine erhöhte Bandbreite mit niedriger -Latenz birgt auch das Potenzial, die Anzahl der Transformatorschichten zu erhöhen, wodurch Modelle über tiefere Denk- und Argumentationsfähigkeiten verfügen. Kurz gesagt: Durch das Durchbrechen der Kommunikationsbeschränkungen zwischen Chips können LLMs mehr Informationen im Arbeitsspeicher speichern und mehr Argumentationsschritte ohne Stottern ausführen.
Kupferverkabelung war seinerzeit zweifellos eine großartige Technologie, aber ihre inhärenten physikalischen Einschränkungen haben einen dringenden Bedarf an fortschrittlicheren Netzwerktechnologien geschaffen, um die Kapitalrendite für Hyperscale-Rechenzentren deutlich zu verbessern und die Fähigkeiten von LLMs zu erweitern.
In ein paar Jahren werden KI-Rechenzentren, die vollständig auf Kupferkabeln basieren, ebenso unvorstellbar sein wie Internetverbindungen über große Entfernungen, die ausschließlich auf Kupferkabeln basieren.
Betreiber von Hyperscale-Rechenzentren, Investoren, LLM-Entwickler und andere Interessenvertreter der KI-Infrastruktur müssen diesen technologischen Trend ernst nehmen: Er wird nicht nur die Kosteneffizienz von Rechenzentren grundlegend verändern, sondern auch die Grenzen der KI-Funktionen kontinuierlich erweitern. Unternehmen, die die DWDMCPO-Technologie zuerst einführen, werden architektonische Vorteile in Bezug auf Kosten, Stromverbrauch und Leistung erzielen; Diese Vorteile werden sich mit zunehmender KI-Infrastruktur weiter verstärken.
