Plataforma de Óptica Co-Packaged da NVIDIA: Arquitetura e Ecossistema

Visão geral

A NVIDIA está remodelando a conectividade de data centers ao integrar componentes ópticos e elétricos, e faz isso por meio de uma forte colaboração com parceiros da indústria. A plataforma de redes NVIDIA reúne tecnologias de líderes em processos de foundry, lasers de ponta e soluções fiber-to-chip. Ao coordenar cada aspecto do design da solução, a NVIDIA aproveita hardware de classe mundial e capacidades de suporte essenciais para sistemas ópticos escaláveis, confiáveis e de alto desempenho. O resultado é um ecossistema coeso que atende às crescentes demandas por largura de banda de dados e design energeticamente eficiente, definindo um novo padrão para interconexões ópticas. Esta explanação aborda a inovação, parcerias e fundamentos técnicos por trás da plataforma NVIDIA de óptica co-packaged (CPO): ICs de fotônica, ICs eletrônicos, fibra, embalagem, conectores e lasers. A discussão foca em como o ecossistema NVIDIA viabiliza interconexões de IA em fabs centrais escaláveis. No cerne da inovação CPO está o motor óptico de fotônica de silício NVIDIA Micro Ring Modulator — um avanço que redefine densidade e eficiência para interconexões ópticas. Projetado para modulação PAM4 direta de 200 Gbps por comprimento de onda, o Micro Ring Modulator oferece uma pegada extremamente baixa, viabilizando throughput de dados sem aumentar o tamanho da embalagem. Essa integração é crucial para a próxima geração de switches e processadores de data center que exigem formatos menores para reduzir consumo de energia e melhorar a manejabilidade térmica. A colaboração com a TSMC tem ajudado a NVIDIA a enfrentar desafios de fabricação no âmbito dos Micro Ring Modulators em escala de produção. Por meio de engenharia de processo avançada e técnicas de controle refinadas, a NVIDIA e a TSMC alcançam desempenho confiável e repetível mesmo nos menores geometries, assegurando que cada modulador atenda aos padrões exigentes de deployments em escala de hiperescalonamento. O que distingue o Micro Ring Modulator é a combinação de pequena pegada com controle térmico robusto. Essa conjunção permite escalonamento multi‑linha da interconexão óptica dentro de uma única embalagem, desatando o potencial de arranjos densos de interconexões de alta velocidade sem comprometer consumo de energia ou orçamentos térmicos. Quando interconexões eletro-ópticas são projetadas em conjunto, perdas parasitas são minimizadas. Componentes CMOS e fotônicos empilhados a poucos microns de distância permitem integração extremamente densa e eficiente, reduzindo consumo de energia e tornando módulos compactos adequados a ambientes de data centers de grande escala. A integração em wafer de microlentes reduz o tempo de alinhamento de fibra e a sensibilidade do processo, acelerando a produção e aumentando a escalabilidade para fabricação em escala de wafer de módulos fotônicos de alto desempenho. O comutador Quantum-X Photonics é alimentado por um submontado óptico sofisticado, capaz de oferecer largura de banda sem precedentes para data centers de próxima geração. Cada submontado óptico entrega 4,8 Tbps de transmissão e 4,8 Tbps de recepção, com três motores ópticos COUPE por submontado, cada um suportando 1,6 Tbps de transmissão e 1,6 Tbps de recepção. Cada motor opera com oito vias PAM4 de 200 Gbps para transmissão e oito para recepção, com duas fibras de entrada laser por motor. Essa arquitetura permite comunicação de baixa latência entre o tecido de comutação e suas interfaces ópticas, alinhada com as necessidades de ambientes de IA e escala hipers with. Um design de submontado com encaixe (socket-based) para conectividade modular entre a interface elétrica e o pacote principal, aliado a uma interface de fibra hermeticamente selada para os motores ópticos, facilita implantação rápida e confiabilidade a longo prazo no campo. O desempenho em escala é suportado por um ASIC de comutação com 28,8 Tbps de largura de banda em duplex completo, com seis submontados ópticos de alta capacidade integrados no interposer do pacote de comutação, permitindo acoplamento elétrico e térmico denso e resfriamento líquido eficiente tanto para o núcleo da comutadora quanto para todos os módulos ópticos. O sistema de comutação líquido Quantum-X, o Q3450, com quatro chips Quantum-X, oferece 115,2 Tbps em duplex completo sobre 144 portas de 800 Gbps cada, suportando baixa latência e escalabilidade para fábricas de IA da NVIDIA. O Spectrum-X Ethernet Photonics oferece o empacotamento eletro-óptico mais denso já realizado, integrando 32 motores de fotônica óptica num único conjunto compacto. Cada motor óptico tem 16 vias de transmissão e 16 de recepção, entregando 3,2 Tbps por motor e permitindo largura de banda agregada sem precedentes. O design prevê 512 vias elétricas de 200 Gbps em um formato compacto. Os motores são soldados de volta ao substrato da módulo para contato elétrico robusto e confiabilidade em escala de manufatura. O sistema também utiliza um conector óptico destacável para facilitar fluxos de manufatura automatizados, aumentando o rendimento de montagem. A base de desempenho óptico nos switches Quantum-X Photonics e Spectrum-X Ethernet Photonics é o módulo ELS (External Laser Source) — uma unidade de alta potência, substituível em campo, posicionada em ambiente termicamente controlado separado do chassi principal do switch. O ELS estabiliza o funcionamento dos lasers, reduz a deriva de comprimento de onda e mitiga mecanismos de envelhecimento causados por ciclos de temperatura. Adotar ELS de alta potência centraliza a geração de luz, reduzindo o número total de lasers no data center em cerca de 4x em comparação com designs legados. Cada módulo ELS contém oito lasers acoplados com precisão via fibra aos motores ópticos, capaz de alimentar 32 das 576 vias de transmissão do switch Quantum-X. Para Spectrum-X, o mesmo conceito é utilizado, com 16 módulos para a versão de único ASIC e 64 módulos para a versão quad-ASIC. Quantum-X Photonics e Spectrum-X Ethernet Photonics representam anos de inovação liderados pela NVIDIA, em colaboração com parceiros do ecossistema. Eles abordam desafios nos níveis de silício e transístor, bem como gestão térmica, confiabilidade, integração com fibra em grande volume com o chip e desempenho estável de lasers. Ao combinar modularidade, eficiência e engenharia robusta, esses ambientes de rede permitem que data centers escalem para atender às crescentes demandas de aplicações de IA. Para mais detalhes, o artigo faz referência a um blog técnico anterior sobre CPO e a um vídeo demonstrando o aprofundamento em switches de óptica co-packaged. A NVIDIA também orienta leitores a seu site de fotônica de silício para atualizações contínuas de anúncios e lançamentos de produtos.

Principais características

Colaboração entre indústria inteira (foundry, lasers e soluções fiber-to-chip) integrada na plataforma de rede NVIDIA.
Motor Micro Ring Modulator de fotônica de silício com modulação PAM4 direta de 200 Gbps por comprimento de onda e pegada extremamente baixa.
Colaboração com a TSMC para alcance de produção em escala com controle de fabricação, mitigação de sensibilidade térmica e modulação de alta velocidade.
Integração densíssima com CMOS e fotônica empilhados a poucos microns, reduzindo parasitas e consumo.
Integração em wafer de microlentes para acelerar alinhamento de fibra e possibilitar fabricação em escala.
Quantum-X Photonics Switch: 4,8 Tbps TX e 4,8 Tbps RX por submontado óptico; três motores COUPE por submontado (1,6 Tbps TX/1,6 Tbps RX por motor); oito vias PAM4 de 200 Gbps por motor, com conectividade modular em soquete e interface de fibra hermeticamente selada; ASIC de comutação suporta 28,8 Tbps em duplex completo; resfriamento líquido eficiente.
Spectrum-X Ethernet Photonics: 32 motores de fotônica de silício; 3,2 Tbps por motor; 512 vias elétricas de 200 Gbps; motores soldados de volta ao substrato; conector óptico destacável para manufatura automatizada com alta taxa de yield.
Módulo ELS (External Laser Source): unidade de alta potência, substituível em campo, em ambiente separado com controle térmico; reduz deriva de comprimento de onda e envelhecimento de lasers; centraliza geração de luz para reduzir o total de lasers em ~4x; alimenta 32 das 576 vias do switch; 16 módulos para uma ASIC e 64 módulos para a versão quad-ASIC.
Arquitetura modular orientada a confiabilidade, desempenho estável de lasers e escalabilidade para redes de IA.
Abordagem de ecossistema que se estende por tecnologia, manufatura e implantação, com atualizações contínuas via site de fotônica de silício da NVIDIA.

Casos de uso comuns

Fábricas de IA e data centers de hiperescalonamento que exigem interconexões de alta largura de banda e eficiência energética.
Têxteis de switches densos para ambientes de computação IA de próxima geração.
Interconexões de data centers que combinam alto throughput com gestão térmica robusta e confiabilidade.
Cenários de implantação onde modularidade e substituição em campo (ELS, conectores) melhoram manutenção e uptime.

Configuração e instalação

# Setup e instalação não fornecidos na fonte.

Quick start

Observação: a fonte não fornece exemplos executáveis ou código de início rápido. Abaixo está um esboço arquitetural de alto nível com base no descrito:

Avaliar parcerias do ecossistema (foundry, lasers, fiber-to-chip) e pontos de integração.
Analisar submontados modulares (Quantum-X e Spectrum-X) e seus conectores com o switch principal.
Planejar a estratégia de distribuição de laser via as Módulos ELS para minimizar lasers e aumentar confiabilidade.
Considerar abordagens de gestão térmica (resfriamento líquido, ambiente dedicado para ELS) para durabilidade.
Explorar integração fotônica em wafer e interfaces de fibra hermeticamente seladas para suportar fabricação escalável.

Prós e contras

Prós
Densidade e throughput muito altos com Micro Ring Modulator e motores COUPE.
Pegada pequena viabiliza escalonamento multi-linha e empacotamento mais compacto.
Controle térmico robusto e geração centralizada de luz reduzem manutenção e falhas de lasers.
Integração em wafer com micro-lentes e interfaces herméticas aumenta velocidade de alinhamento e confiabilidade.
Módulos ELS substituíveis em campo reduzem esforços de manutenção.
Abordagem de lasers externos centraliza geração de luz, diminuindo o número total de lasers.
Contras
Detalhes de precificação, licenciamento e cronogramas de implantação não são fornecidos.
A fonte não inclui instruções executáveis ou passos práticos de implantação.
Desempenho de campo em larga escala e adoção ampla não estão detalhados.

Alternativas

Abordagem	Descrição
Óptica não co-packaged legada	Interconexões tradicionais com lasers discretos e módulos fotônicos/eletrônicos separados; maior contagem de lasers e potencialmente maior footprint.
Subsistemas ópticos co-packaged tradicionais sem lasers centralizados ELS	Integração óptica com lasers, mas sem a abordagem centralizada de ELS e substituição em campo descrita para Quantum-X Spectrum-X; manutenção potencialmente maior.
Fotônica modular convencional sem integração COUPE/TSMC	Módulos com fotônica e eletrônica não otimizados para mesma densidade ou desempenho térmico; pode exigir mais espaço ou energia por bit.