Como a Colaboração da Indústria Impulsiona a Óptica Co-Packaged da NVIDIA

TL;DR

A NVIDIA está redesenhando a conectividade de data centers ao coembalar componentes ópticos e elétricos por meio de colaboração profunda com a indústria, formando um ecossistema que abrange ICs fotônicos, ICs eletrônicos, fibra, embalagem, conectores e lasers.
O Micro Ring Modulator, motor de fotônica de silício, possibilita modulação PAM4 direta de 200 Gbps por comprimento de onda com pegada pequena, abrindo espaço para empacotamento denso e termicamente gerenciável para implantações de escala hiper.
A colaboração com a TSMC trata de desafios de produção em escala, assegurando desempenho confiável e repetível mesmo nos menores geometries.
Os switches Quantum-X Photonics e Spectrum-X Ethernet Photonics integram submontagens ópticas modulares e motores de fotônica de silício de alta densidade para entregar multi-terabits de largura de banda e fontes de laser modulares.
O módulo de Fonte de Laser Externa (ELS) centraliza a geração de luz, reduzindo a contagem de lasers em até quatro vezes e permitindo manutenção no field com ambientes termicamente controlados.

Contexto e antecedentes

A NVIDIA está avançando a conectividade de data centers ao integrar componentes ópticos e elétricos, enfatizando colaboração com parceiros da indústria. A plataforma de rede NVIDIA reúne tecnologias de ponta de parceiros especializados em processos de foundry, lasers e soluções de fibra-para-o-chip. Ao coordenar cada aspecto do projeto, a NVIDIA busca sistemas ópticos escaláveis, confiáveis e de alto desempenho que atendam às crescentes demandas por taxa de dados e eficiência energética. O ecossistema abrange ICs fotônicos, ICs eletrônicos, fibra, embalagem, conectores e lasers, todos projetados para sustentar interconexões de IA em escala hiperscale. O foco é criar uma suíte co-packaged optics (CPO) coesa, capaz de escalar com cargas de trabalho de IA. O destaque principal é o Micro Ring Modulator, considerado uma inovação que combina pequena pegada com controle térmico robusto, permitindo interconexões densas sem sacrificar energia ou orçamento de refrigeração. A colaboração com a TSMC é citada como essencial para enfrentar problemas de fabricação em escala, especialmente em geometria reduzida, para obter desempenho estável e repetível ao longo da produção. A integração em nível de wafer com lentes micro, gerenciamento de parasitas e empilhamento denso de CMOS e fotônica viabilizam módulos compactos e energeticamente gerenciáveis para ambientes de data center hiperscale. O texto também apresenta uma abordagem modular de fornecimento de luz por meio de fontes de laser externas e submontagens modulares que facilitam implantação rápida e manutenção robusta. Este artigo oferece uma visão aprofundada da inovação, parcerias e fundamentos técnicos da plataforma CPO da NVIDIA, incluindo ICs fotônicos, ICs eletrônicos, fibra, embalagem, conectores e lasers. Detalha como o ecossistema NVIDIA viabiliza interconexões de IA de escala e eficiência energética, desde a fotônica de silício até o nível de empacotamento do sistema, e destaca o papel da colaboração com a indústria para alcançar interconexões ópticas confiáveis e de alto desempenho. Um ponto-chave é o Micro Ring Modulator, cuja pequena pegada e estabilidade térmica redefinem limitações de planejamento e permitem escalabilidade densa dentro de um único pacote. Em termos de colaboração, a NVIDIA enfatiza que óptica co-packaged não é construída isoladamente. Parcerias com fornecedores de processos de wafer, lasers e soluções de fibra-para-chip ajudam a enfrentar desafios de fabricação, confiabilidade e integração, assegurando desempenho consistente de laser e embalagem em larga escala. O ecossistema NVIDIA é apresentado como uma solução modular e escalável que atende às necessidades de data centers hiperscale e workloads de IA. Observa-se que conteúdos técnicos anteriores sobre CPO e um vídeo com imersão sobre switches de óptica co-packaged estão disponíveis como referência (links não fornecidos neste texto, consulte Referências).

O que há de novo

O Micro Ring Modulator (motor de fotônica de silício) é apresentado como uma inovação que combina pegada reduzida com controle térmico robusto, permitindo interconexões ultra-densas e escaláveis dentro de um único pacote.
A colaboração com a TSMC aborda problemas de fabricação em escala, como controle de processo, mitigação de sensibilidade térmica e desempenho rápido de modulação em geometria pequena.
O Quantum-X Photonics switch introduz uma submontagem óptica capaz de 4,8 Tbps de transmissão e 4,8 Tbps de recebimento por submontagem, sustentada por três motores ópticos COUPE que entregam 1,6 Tbps de transmissão e 1,6 Tbps de recebimento por motor.
Cada motor óptico utiliza oito vias PAM4 de 200 Gbps para transmissão e recebimento, com oito vias de transmissão, oito vias de recebimento e duas fibras de entrada de laser por motor, permitindo comunicação de baixa latência entre o tecido de comutação e as interfaces ópticas.
Um design de submontagem com tomada/socket facilita a conectividade modular do elétrico ao pacote principal do switch, além de uma interface de fibra hermeticamente selada para maior confiabilidade em campo.
O ASIC do switch Quantum-X entrega 28,8 Tbps de largura de banda full duplex quando seis submontagens de alta capacidade estão integradas no interposer do switch, demonstrando uma arquitetura densamente acoplada e termicamente eficiente.
Os seus dois pilares, Quantum-X Photonics e Spectrum-X Ethernet Photonics, apoiam-se em módulos ELS para centralizar a potência de lasers e reduzir custos de capital e operação por meio de redes mais estáveis.
O módulo ELS utiliza oito lasers e pode alimentar 32 das vias de transmissão do switch Quantum-X (em 576 vias totais), reduzindo a contagem total de lasers e melhorando a confiabilidade. O mesmo conceito é aplicado ao Spectrum-X, com 16 módulos para a versão de único ASIC e 64 módulos para a versão com quatro ASICs.
O Spectrum-X Ethernet Photonics agrega 32 motores fotônicos de silício em um único substrato, cada motor com 16 vias de transmissão e 16 vias de recebimento (3,2 Tbps por motor), somando 512 vias de 200 Gbps elétricas em um pacote compacto. Um conector óptico destacável facilita operações de montagem automatizadas e maior rendimento de fabricação.
A base de desempenho óptico em Quantum-X e Spectrum-X é o módulo ELS, que separa a geração de luz em um ambiente dedicado e termicamente estável, assegurando menos deriva de comprimento de onda e envelhecimento reduzido.

Por que isso importa (impacto para desenvolvedores/empresas)

Densidade e eficiência energética: o Micro Ring Modulator permite interconexões densas com gerenciamento térmico robusto, aumentando a taxa por dispositivo sem exceder o consumo de energia ou o orçamento de resfriamento.
Confiabilidade em escala: módulos ELS centralizados reduzem a contagem total de lasers no data center, diminuindo custos de capital e operacionais, ao mesmo tempo em que melhoram a confiabilidade e a manutenção.
Arquitetura modular e escalável: submontagens com conectividade baseada em sockets e interfaces de fibra hermeticamente seladas simplificam implantação, manutenção e atualizações em campo, alinhando-se a fluxos de data centers hiperscale e automação de fabricação.
Interconexões de alto desempenho para IA: as plataformas Quantum-X e Spectrum-X entregam capacidades multiterabit e latência baixa para cargas de trabalho de IA, treinamento e inferência, apoiando futuras arquiteturas de data center.
Colaboração integrada: a NVIDIA enfatiza parcerias com provedores de processos de wafer, lasers e soluções de fibra-para-chip, destacando uma abordagem holística para óptica co-packaged que combina hardware, controle de processo e empacotamento de sistema para implantação escalável.

Detalhes técnicos ou Implementação

Micro Ring Modulator (motor de fotônica de silício): projetado para modulação PAM4 direta de 200 Gbps por comprimento de onda, oferecendo alta densidade com controle térmico rígido para suportar cargas de IA em escala.
Integração em wafer: módulos ópticos utilizam integração com lente de wafer para simplificar o alinhamento de fibra, reduzindo o tempo de produção e aumentando a escalabilidade.
Motores ópticos COUPE: cada motor oferece 1,6 Tbps de transmissão e 1,6 Tbps de recebimento, com oito vias PAM4 de 200 Gbps para transmissão e recebimento; há duas fibras de entrada de laser por motor.
Submontagem Quantum-X: suporta 4,8 Tbps de transmissão e 4,8 Tbps de recebimento por submontagem; três motores ópticos COUPE por submontagem permitem empacotamento denso com alta potência e eficiência térmica.
ASIC do switch (por seis submontagens): 28,8 Tbps de largura de banda full duplex quando integradas no interposer do switch, com acoplamento elétrico e térmico denso e resfriamento líquido eficiente para o núcleo do switch e módulos ópticos.
Sistema Q3450: Switch de fotônica com resfriamento líquido oferecendo 115,2 Tbps full-duplex em 144 portas a 800 Gbps cada, desenhado para data centers de IA de grande escala e baixa latência.
Spectrum-X Ethernet Photonics: pacote MCM com 32 motores de fotônica de silício; cada motor entrega 16 vias de transmissão e 16 vias de recebimento (3,2 Tbps por motor); suporta 512 vias elétricas de 200 Gbps num pacote compacto; conector óptico destacável facilita produção automatizada.
Módulo ELS (Fonte de Laser Externa): unidade modular, substituível em campo, em ambiente termicamente controlado, centralizando geração de luz para reduzir deriva de comprimento de onda e envelhecimento. Um ELS contém oito lasers e pode alimentar 32 das vias de transmissão do switch Quantum-X (em 576 vias totais), reduzindo a contagem total de lasers em torno de quatro vezes. O mesmo conceito é aplicado ao Spectrum-X com 16 módulos para a versão de único ASIC e 64 módulos para a versão com quatro ASICs.
Modularidade e implantação em campo: ELS com módulos substituíveis e conectores de fibra hermeticamente selados permitem implantação rápida, isolamento de falhas e operação confiável em ambientes de data center.
Fabricação e confiabilidade: integração em wafer com lentes, interfaces herméticas e conectores destacáveis melhoram o rendimento de produção, confiabilidade e eficiência de manutenção para data centers hiperscale. | Componente | Vazão / Capacidade | Observações |---|---|---| | Micro Ring Modulator | PAM4 200 Gbps por comprimento de onda | Motor óptico de silício compacto com controle térmico robusto |Submontagem Quantum-X | 4,8 Tbps de transmissão, 4,8 Tbps de recebimento | Núcleo de interconexão de alta capacidade |Motores ópticos COUPE | 1,6 Tbps transmissão, 1,6 Tbps recebimento | Oito vias PAM4 de 200 Gbps; 8 TX, 8 RX, 2 entradas de laser |ASIC do switch (6 submontagens) | 28,8 Tbps full duplex | Emparelhamento com interposer para acoplamento elétrico/ térmico |Sistema Q3450 | 115,2 Tbps full-duplex | 144 portas a 800 Gbps cada |Motores Spectrum-X | 3,2 Tbps por motor | 32 motores fotônicos; 512 vias elétricas; conector destacável |Módulo ELS | Alimenta várias vias de transmissão | Oito lasers; redução de contagem de lasers e maior confiabilidade |

Pontos-chave

A colaboração setorial é central para a estratégia CPO da NVIDIA, unificando fotônica, eletrônica, embalagem e lasers para interconexões ópticas escaláveis.
O Micro Ring Modulator oferece caminho para interconexões ultra-densas e energeticamente eficientes através de uma embalagem compacta e controle térmico robusto.
Módulos ELS centralizados reduzem a contagem total de lasers e melhoram a confiabilidade, mantendo a modularidade para manutenção em campo.
As plataformas Quantum-X e Spectrum-X demonstram capacidades multiterabit em switches densamente empacotados, com requisitos de resfriamento eficientes para ambientes de IA.
A integração em nível de wafer, interfaces de fibra hermeticamente seladas e conectores destacáveis conectam fabricação em massa a implantação escalável em data centers hiperscale.

FAQ

O que é a plataforma de óptica co-packaged da NVIDIA e o que ela busca resolver?

Ela visa integrar componentes ópticos e elétricos em interconexões de alto rendimento e eficiência energética para data centers hiperscale, usando colaboração com a indústria para enfrentar desafios de fabricação, confiabilidade e escalabilidade.
Como o Micro Ring Modulator habilita maior densidade de interconexões?

Por meio de uma pegada muito pequena aliada a controle térmico robusto e modulação PAM4 direta de 200 Gbps por comprimento de onda, permitindo escalabilidade em várias linhas dentro de um único pacote.
ual é o papel do módulo ELS?

Centraliza a geração de luz em um ambiente termicamente estável, reduzindo a contagem total de lasers em até quatro vezes e permitindo manutenção modular em campo.
uais são as capacidades do Quantum-X Photonics e do Spectrum-X Ethernet Photonics?

Quantum-X oferece até 4,8 Tbps de transmissão e 4,8 Tbps de recebimento por submontagem com motores COUPE, enquanto Spectrum-X agrega 32 motores de fotônica de silício com 3,2 Tbps por motor, suportando 512 vias elétricas de 200 Gbps e conectores destacáveis para manufatura automatizada.
Como a colaboração com a TSMC impacta a fabricação?

juda a resolver desafios de fabricação em geometria pequena, com controle de processo preciso e mitigação de sensibilidade térmica, assegurando desempenho confiável em produção.