Plataforma de Óptica Co-Packaged de NVIDIA: Arquitectura y Ecosistema

Visión general

NVIDIA está redefiniendo la conectividad de centros de datos al integrar componentes ópticos y eléctricos, y lo hace mediante una estrecha colaboración con socios de la industria. La plataforma de redes de NVIDIA reúne tecnologías de líderes en procesos de fundición, láseres de punta y soluciones fibra-a-chip. Al coordinar cada aspecto del diseño de la solución, NVIDIA aprovecha hardware de clase mundial y las capacidades de soporte necesarias para sistemas ópticos escalables, fiables y de alto rendimiento. El resultado es un ecosistema cohesionado que aborda las crecientes necesidades de ancho de banda de datos y diseño energéticamente eficiente, estableciendo un nuevo estándar para interconexiones ópticas. Este artículo analiza la innovación, las asociaciones y las bases técnicas detrás de la plataforma de óptica co-packaged (CPO) de NVIDIA: ICs de fotónica, ICs electrónicos, fibra, empaquetado, conectores y láseres. La discusión se centra en cómo el ecosistema NVIDIA facilita interconexiones de IA en fábricas de gran escala. En el corazón de la innovación CPO se encuentra el motor Micro Ring Modulator de fotónica de silicio de NVIDIA — un avance que redefine la densidad y la eficiencia de las interconexiones ópticas. Diseñado para modulación PAM4 directa de 200 Gbps por longitud de onda, el Micro Ring Modulator ofrece una huella extremadamente baja, permitiendo un alto caudal de datos sin aumentar el tamaño del paquete. Esta integración es clave para la próxima generación de conmutadores de centro de datos y procesadores que exigen formatos más pequeños para minimizar consumo y mejorar la manejabilidad térmica. La colaboración con TSMC ha permitido a NVIDIA abordar desafíos de fabricación a escala de producción para moduladores en anillo a escala, mediante un control preciso del proceso, mitigación de la sensibilidad térmica y modulación a alta velocidad. a través de ingeniería de procesos y técnicas de control refinadas, NVIDIA y TSMC logran rendimiento fiable y repetible incluso en las geometrías más pequeñas. Lo que distingue al Micro Ring Modulator es su combinación de pequeña huella y control térmico robusto. Este acoplamiento permite escalar interconexiones ópticas en múltiples filas dentro de un solo paquete, liberando el potencial para matrices densas de interconexiones de alta velocidad sin comprometer la energía o el presupuesto térmico. Cuando se diseñan interconexiones electro‑ópticas en conjunto, se minimizan las pérdidas parásitas y la integración entre CMOS y fotónica en micras facilita una integración ultra-densa y eficiente, adecuada para entornos de centros de datos de gran escala. La integración a nivel de oblea de microlentes reduce el tiempo de alineación de fibra y la sensibilidad de los procesos, agilizando la producción y haciendo una realidad práctica la fabricación a escala de obleas de módulos fotónicos de alto rendimiento. El conmutador Quantum-X Photonics se alimenta de un subconjunto óptico sofisticado diseñado para brindar ancho de banda sin precedentes para centros de datos de próxima generación. Cada subconjunto óptico ofrece 4,8 Tbps de transmisión y 4,8 Tbps de recepción, respaldado por tres motores ópticos basados en COUPE, cada uno con 1,6 Tbps de transmisión y 1,6 Tbps de recepción. Cada motor utiliza ocho carriles PAM4 de 200 Gbps para transmisión y ocho para recepción, con dos fibras de entrada de láser por motor. Esta arquitectura facilita una comunicación de baja latencia entre la estructura de conmutación y sus interfaces ópticas, alineada con las necesidades de entornos IA y de escala hipers. Un diseño de subensamble en zócalo para conectividad modular entre la interfaz eléctrica y el paquete principal, junto con una interfaz de fibra herméticamente sellada para los motores ópticos, facilita despliegue rápido y fiabilidad a largo plazo en campo. El rendimiento de escala está respaldado por un ASIC de conmutación que entrega 28,8 Tbps de ancho de banda en dúplex completo, con seis subensambles ópticos de alta capacidad integrados en el interposer del paquete de conmutación, posibilitando acoplamiento eléctrico y térmico denso y refrigeración líquida eficiente para tanto el núcleo de conmutación como todos los módulos ópticos. El sistema de conmutación líquido Quantum-X — Q3450, con cuatro chips Quantum-X — ofrece 115,2 Tbps en dúplex completo sobre 144 puertos a 800 Gbps cada uno, soportando baja latencia y escalabilidad para fábricas de IA de NVIDIA. El Spectrum-X Ethernet Photonics ofrece el embalaje electro-óptico más denso jamás realizado, integrando 32 motores de fotónica de silicio en un solo módulo compacto. Cada motor óptico está diseñado con 16 vías de transmisión y 16 vías de recepción, entregando 3,2 Tbps por motor. Juntos permiten un ancho de banda agregado sin precedentes, con 512 carriles eléctricos de 200Gbps en un formato compacto. Los motores se soldan de vuelta al sustrato del módulo para garantizar un contacto eléctrico robusto y fiabilidad a escala de fabricación. El diseño incluye un conector óptico extraíble que facilita flujos de manufactura automatizados, aumentando el rendimiento de montaje y la repetibilidad. La base de rendimiento óptico en los switches Quantum-X Photonics y Spectrum-X Ethernet Photonics es su módulo ELS (External Laser Source) — una unidad de alta potencia y reemplazable in situ, ubicada en un entorno separado y termicamente controlado del chasis principal. El ELS estabiliza la operación de los láseres, reduce la deriva de longitud de onda y mitiga mecanismos de envejecimiento por ciclos térmicos. La adopción de módulos ELS de alta potencia centraliza la generación de luz, reduciendo el número total de láseres en el data center en aproximadamente un factor de cuatro respecto a diseños legados. Cada módulo ELS contiene ocho láseres acoplados con precisión a través de fibra a los motores ópticos y puede alimentar 32 de las 576 vías de transmisión del switch. Para Spectrum-X, se aplica el mismo concepto, con 16 módulos para la versión de ASIC único y 64 módulos para la versión de ASIC cuádruple. Quantum-X Photonics y Spectrum-X Ethernet Photonics son el resultado de años de innovación liderados por NVIDIA en colaboración con socios del ecosistema. Abordan desafíos a nivel de silicio y transistores, así como gestión térmica, fiabilidad, integración de fibra a gran escala con la chip y rendimiento estable de láseres. Al combinar modularidad, eficiencia y ingeniería robusta, estas plataformas permiten que los centros de datos escalen para satisfacer las demandas exponenciales de aplicaciones de IA. Por más detalles, el artículo hace referencia a un blog técnico CPO anterior y a un video que profundiza en conmutadores de óptica co-packaged. NVIDIA también invita a los lectores a visitar su sitio de fotónica de silicio para actualizaciones y anuncios de productos.

Características clave

Colaboración a través de la industria entre procesos de fundición, láseres y soluciones fibra‑verso‑chip en una plataforma de red NVIDIA.
Motor Micro Ring Modulator de fotónica de silicio con modulación PAM4 directa de 200 Gbps por longitud de onda y huella extremadamente baja.
Colaboración con TSMC para lograr producción a escala con control preciso, reducción de sensibilidad térmica y modulación de alta velocidad.
Integración ultra-densa mediante CMOS y fotónica apilados a pocos micrones, con pérdida parasitaria minimizada.
Integración a nivel wafer de microlentes para acelerar el alineamiento de fibra y permitir fabricación escalable.
Quantum-X Photonics Switch: 4,8 Tbps TX y 4,8 Tbps RX por subconjunto óptico; tres motores COUPE por subconjunto (1,6 Tbps TX/1,6 Tbps RX por motor); ocho carriles PAM4 de 200 Gbps por motor; subconjuntos modulares en-zócalo con interfaz de fibra herméticamente sellada; ASIC de conmutación 28,8 Tbps en dúplex completo; enfriamiento líquido eficiente.
Spectrum-X Ethernet Photonics: 32 motores fotónicos en silicio; 3,2 Tbps por motor; 512 carriles eléctricos de 200 Gbps; motores soldados al sustrato; conector óptico extraíble para manufactura automatizada.
Módulo ELS: láseres externos de alta potencia, reemplazables en campo, en un entorno separado y termicamente controlado; reduce deriva de longitud de onda y envejecimiento; centraliza la generación de luz para disminuir el número total de láseres; alimenta 32 de las 576 vías.
Arquitectura modular para mayor fiabilidad, rendimiento consistente de láser y escalabilidad para interconexiones IA confiables.
Enfoque de ecosistema que abarca tecnología, fabricación y despliegue, con actualizaciones continuas a través del sitio de fotónica de silicio de NVIDIA.

Casos de uso comunes

Fábricas IA y centros de datos hiperescalados que requieren ancho de banda alto y eficiencia energética.
Arquitecturas de conmutación densa para entornos de computación IA de próxima generación.
Interconexiones de centro de datos con alto rendimiento y gestión térmica robusta.
Escenarios de despliegue donde la modularidad y la sustitución en campo (ELS, conectores) mejoran el mantenimiento y el tiempo de actividad.

Configuración e instalación

# Configuración e instalación no proporcionadas en la fuente.

Inicio rápido

Nota: la fuente no ofrece ejemplos ejecutables o código de arranque rápido. A continuación, un esquema arquitectónico de alto nivel basado en la descripción:

Revisar alianzas del ecosistema (fundición, láseres, fibra‑verso‑chip) y puntos de integración.
Evaluar subconjuntos modulares (Quantum-X y Spectrum-X) y sus conectores con el switch principal.
Planificar la estrategia de distribución de láseres mediante Módulos ELS para minimizar el número total de láseres y mejorar la fiabilidad.
Considerar enfoques de gestión térmica ( enfriamiento líquido, entorno ELS dedicado) para durabilidad a largo plazo.
Investigar integración fotónica a nivel de oblea y interfaces de fibra herméticamente selladas para soportar fabricación a gran escala.

Pros y contras

Pros
Densidad y ancho de banda muy altos gracias al Micro Ring Modulator y motores basados en COUPE.
Huella reducida que permite escalamiento multi-línea y embalajes más compactos.
Control térmico robusto y generación centralizada de luz reducen mantenimiento y fallos de láseres.
Integración a nivel wafer con microlentes e interfaces herméticas mejora la fiabilidad y la escalabilidad.
Módulos ELS reemplazables en campo reducen los costos de mantenimiento.
Contras
Detalles de precio/licencia y cronogramas de implementación no se proporcionan en la fuente.
No hay instrucciones ejecutables o pasos prácticos de despliegue en la fuente.
El rendimiento en campo y la adopción general aún no están descritos.

Alternativas

Enfoque	Descripción
Óptica legada no co-packaged	Interconexiones tradicionales con láseres discretos y módulos fotónicos/electrónicos separados; mayor conteo de láseres y mayor huella.
Subsistemas ópticos co-packaged tradicionales sin ELS centralizados	Fotónica integrada sin la centralización de ELS y reemplazabilidad en campo descrita para Quantum-X Spectrum-X; mantenimiento potencialmente mayor.
Fotónica modular convencional sin integración COUPE/TSMC	Módulos fotónicos y electrónicos no optimizados para la misma densidad o rendimiento térmico; puede requerir más espacio o energía por bit.