Plateforme d’Optiques Co-Packagées de NVIDIA : Architecture et Écosystème

Aperçu

NVIDIA redéfinit la connectivité des centres de données en intégrant des composants optiques et électriques, et ce n’est pas seul. Au cœur de cette avancée se trouve une collaboration étroite avec des partenaires industriels. La plateforme de mise en réseau NVIDIA réunit les technologies de partenaires leaders spécialisés dans les procédés avancés, les lasers de pointe et les solutions fibre-vers-puce. En coordonnant chaque aspect de la conception de la solution, NVIDIA tire parti à la fois du matériel de classe mondiale et des capacités de soutien essentielles pour des systèmes optiques évolutifs, fiables et haute performance. Le résultat est un écosystème cohérent qui répond à la demande croissante en débit de données et en conception écoénergétique, établissant une nouvelle référence pour les interconnexions optiques. Cet article examine l’innovation, les partenariats et les bases techniques de la plateforme NVIDIA de photoniques co-packagées (CPO) : circuits intégrés photoniques, circuits intégrés électroniques, fibre, emballage, connecteurs et lasers. L’analyse détaille comment l’écosystème NVIDIA permet les architectures d’interconnexion IA à l’échelle des usines. Au cœur de l’innovation CPO se trouve le moteur Micro Ring Modulator en photoniques de silicium NVIDIA — une avancée qui redéfinit la densité et l’efficacité des interconnexions optiques. Conçu pour une modulation PAM4 directe de 200 Gbps par longueur d’onde, le Micro Ring Modulator offre une empreinte ultra‑réduite, permettant un débit de données élevé sans augmenter la taille de l’emballage. Cette intégration est clé pour la prochaine génération de commutateurs et de processeurs de centre de données, qui exigent des formats plus petits pour minimiser la consommation et améliorer la gestion thermique. La collaboration avec TSMC a permis à NVIDIA de résoudre des défis de fabrication à l’échelle de production pour les modulateurs en anneau micro, à travers un contrôle précis du processus, l’atténuation de la sensibilité thermique et une modulation à haute vitesse. Grâce à l’ingénierie des procédés et à des techniques de contrôle affinées, NVIDIA et TSMC obtiennent des performances fiables et reproductibles même à des géométries très petites. Ce qui distingue le Modulateur en Anneau Micro est son petit format et son contrôle thermique robuste. Cette combinaison ouvre la voie à un dimensionnement dense des interconnexions optiques au sein d’un seul paquet, débloquant l’évolutivité en rangées multiples sans compromis sur la consommation d’énergie ou le budget thermique. Lorsque les interconnects électro-optiques sont conçus ensemble, les pertes parasites sont minimisées et les composants CMOS et photoniques empilés à quelques microns permettent une intégration ultra-dense et efficace, adaptée aux environnements hyperscalés. L’intégration au niveau wafer de microlentilles réduit le temps d’alignement de la fibre et la sensibilité des processus, facilitant la production et rendant la fabrication à l’échelle wafer de modules photoniques performants une réalité pratique. Le switch Quantum-X Photonics est alimenté par un sous-ensemble optique sophistiqué conçu pour offrir une bande passante inédite pour les centres de données de prochaine génération. Chaque sous‑ensemble optique fournit 4,8 Tbps en émission et 4,8 Tbps en réception, soutenu par trois moteurs optiques COUPE, chacun avec 1,6 Tbps en émission et 1,6 Tbps en réception. Chaque moteur exploite huit liaisons PAM4 de 200 Gbps pour l’émission et huit pour la réception, avec deux fibres d’entrée laser par moteur. Cette architecture permet une communication à faible latence entre le tissu de commutation et ses interfaces optiques, répondant aux besoins des environnements IA et hyperscale. Un design de module en connecteur à logement (socket-based) pour la connectivité modulaire entre l’interface électrique et le paquet switch principal, combiné à une interface fibre hermétiquement scellée, facilite le déploiement rapide et la fiabilité à long terme sur le terrain. Le cœur du système est un ASIC de commutation délivrant 28,8 Tbps en duplex complet, avec six sous-ensembles optiques intégrés dans l’interposant du paquet, assurant un couplage électrique et thermique dense et un refroidissement liquide efficace. Le système de commutation liquide Quantum-X — le Q3450, avec quatre puces Quantum-X — offre 115,2 Tbps en duplex complet sur 144 ports à 800 Gbps chacun, soutenant une faible latence et une évolutivité pour les usines IA de NVIDIA. Le Spectrum-X Ethernet Photonics propose l’empaquetage électro-optique le plus dense jamais réalisé, intégrant 32 moteurs de photoniques sur silice dans un seul espace compact. Chaque moteur optique est conçu avec 16 voies d’émission et 16 voies de réception, fournissant 3,2 Tbps par moteur. Ensemble, ils permettent une largeur de bande agrégée sans précédent, avec 512 voies électriques de 200 Gbps dans un format compact. Les moteurs sont soudés à l’arrière du substrat du module pour assurer un contact électrique robuste et une fiabilité à l’échelle industrielle. Le design intègre un connecteur optique détachable pour faciliter les flux de fabrication automatisés, améliorant le rendement et la répétabilité. La base de performance optique des switches Quantum-X Photonics et Spectrum-X Ethernet Photonics repose sur le module ELS (External Laser Source) — une unité à haute puissance et remplaçable sur le terrain, placée dans un environnement thermiquement contrôlé séparé du châssis principal. Le ELS stabilise l’opération des lasers, réduit le drift de longueur d’onde et atténue le vieillissement dû au cyclage thermique. L’adoption de modules ELS à haute puissance centralise la génération de lumière, réduisant le nombre total de lasers dans le data center d’environ un facteur 4 par rapport aux conceptions legacy. Chaque module ELS contient huit lasers couplés par fibre aux moteurs optiques et peut alimenter 32 des 576 voies de transmission du switch Quantum-X. Pour Spectrum-X, le même concept est utilisé, avec 16 modules pour la version à ASIC unique et 64 modules pour la version à ASIC quadruple. Quantum-X Photonics et Spectrum-X Ethernet Photonics illustrent des années d’innovation dirigées par NVIDIA, en collaboration avec des partenaires de l’écosystème. Ils s’attaquent aux défis au niveau du silicium et des transistors, ainsi qu’à la gestion thermique, la fiabilité, l’intégration à grande échelle de la fibre avec la puce et la performance stable des lasers. En mêlant modularité, efficacité et ingénierie robuste, ces plateformes permettent aux data centers de croître pour répondre aux exigences croissantes des applications IA. Pour plus de détails, l’article fait référence à un blog technique CPO précédent et à une vidéo détaillant les commutateurs optiques co-packagés. Visitez aussi le site NVIDIA Photonics pour les annonces et mises à jour produits.

Caractéristiques clés

• Collaboration multisectorielle autour des procédés de foundry, lasers et solutions fibre-vers-puce dans une plateforme de réseau NVIDIA.
• Moteur Micro Ring Modulator en photoniques de silicium avec modulation PAM4 directe de 200 Gbps par longueur d’onde et empreinte très faible.
• Collaboration avec TSMC pour une production à l’échelle avec contrôle précis, réduction de la sensibilité thermique et modulation à haute vitesse.
• Intégration ultra-dense via des CMOS et photoniques empilés à quelques microns, avec parasites minimisés.
• Intégration au niveau wafer de micro-lentilles pour accélérer l’alignement de la fibre et permettre une fabrication évolutive.
• Quantum-X Photonics Switch : 4,8 Tbps TX et 4,8 Tbps RX par sous-ensemble optique; trois moteurs COUPE par sous-ensemble (1,6 Tbps TX/1,6 Tbps RX par moteur); huit voies PAM4 de 200 Gbps par moteur; sous-ensembles modulaires en boîtier avec interface fibre hermétiquement scellée; ASIC switch 28,8 Tbps en duplex; refroidissement liquide efficace.
• Spectrum-X Ethernet Photonics : 32 moteurs photoniques en silice; 3,2 Tbps par moteur; 512 voies électriques de 200 Gbps; moteurs soudés sur substrat; connecteur détachable pour fabrication automatisée.
• Module ELS : unité de laser externe à haute puissance et remplaçable sur le terrain, dans un environnement séparé et thermiquement contrôlé; réduit la dérive et le vieillissement des lasers; centralise la génération de lumière pour diminuer le nombre total de lasers; alimente 32 des 576 voies.
• Architecture modulaire favorisant la fiabilité, les performances lasers et l’évolutivité pour des interconnexions IA fiables.
• Promotion d’un écosystème qui s’étend sur la technologie, la fabrication et le déploiement, avec des mises à jour via le site NVIDIA Photonics.

Cas d’utilisation courants

• Filtres IA et centres de données hyperscale nécessitant une largeur de bande et une efficacité énergétique élevées.
• Architectures de commutation denses pour les environnements de calcul IA de prochaine génération.
• Interconnexions de data centers offrant haut débit et gestion thermique robuste.
• Déploiements où la modularité et la remplaçabilité sur le terrain (ELS, connecteurs) améliorent la maintenance et le temps de fonctionnement.

Configuration et installation

# Configuration et installation non fournies dans la source.

Démarrage rapide

Note: la source ne fournit pas d’exemples exécutables. Voici une esquisse conceptuelle basée sur l’architecture décrite :

• Examiner les partenariats de l’écosystème (foundry, lasers, fibre-vers-puce) et les points d’intégration.
• Évaluer les sous-ensembles modulaires (Quantum-X et Spectrum-X) et leurs connecteurs avec le switch principal.
• Planifier la stratégie de distribution des lasers via les modules ELS pour minimiser le nombre total de lasers et maximiser la fiabilité.
• Considérer les approches de gestion thermique (refroidissement liquide, environnement ELS dédié) pour la durabilité.
• Enquêter sur l’intégration photonique au niveau wafer et les interfaces fibre hermétiquement scellées pour supporter la fabrication à grande échelle.

Avantages et inconvénients

• Avantages
• Densité et débit très élevés grâce au Micro Ring Modulator et aux moteurs COUPE.
• Empreinte réduite qui permet un empilement multi-lignes et un conditionnement plus compact.
• Contrôle thermique robuste et génération centralisée de lumière réduisant la maintenance et les défaillances de lasers.
• Intégration wafer‑level avec micro-lentilles et interfaces hermétiques pour fiabilité et ampleur de production.
• Modules ELS remplaçables sur le terrain qui diminuent les coûts de maintenance.
• Inconvénients
• Détails sur les prix, licences et calendriers de déploiement non fournis.
• Pas d’instructions exécutables ou d’exemples pratiques dans la source.
• Les performances réelles en déploiement et l’adoption à grande échelle ne sont pas décrites.

Alternatives

Prix ou Licence

Les détails de prix ou de licence ne sont pas fournis dans la source.

Références

• https://developer.nvidia.com/blog/how-industry-collaboration-fosters-nvidia-co-packaged-optics/
• NVIDIA Dev Blog ( contexte CPO ) – références et contexte produit.