51、3D集成多核系统的认知I/O与硅光子技术

3D集成多核系统的认知I/O与硅光子技术

1. 多核计算与光互连概述

多核计算的硬件和软件与已被深入研究的电子设备有很大不同。为了展示各种效应如何从设备和系统层面影响光网络，自下而上的模型和分析是必要的，这将使机架级光互连在未来更具可行性。

2. 构建亿亿次级数据中心的挑战与需求

在过去二十年左右，计算范式经历了巨大变革，数据中心需要处理的数据量急剧增加，达到了亿亿次级（10¹⁸ Flops）。为了处理如此大量的数据，需要在单个芯片上集成大量多核微处理器。

以一个简单的亿亿次级数据中心为例，假设每个核心有四个浮点单元，每个单元处理速度为1.5 GHz，即每个核心性能可达6GFlops。要实现1亿亿次浮点运算（1Exa - Flop），需要集成大量的核心和内存块。具体集成方式为：
- 单个芯片集成742个核心。
- 一组16个1GB容量的DRAM和一个芯片组成一个节点。
- 12个这样的节点通过路由器连接形成一个组。
- 32个处理能力为1.7Peta - Flop的组组成一个机架。
- 最后，需要集成583个这样的机架才能实现1Exa - Flop的性能。

这样的设置需要大量带宽（几十Gbps）、68 MW的功率以及20,000平方英尺的空间。构建多个这样的数据中心显然会消耗过多的带宽、功率和空间，可能超出当前社会的能力或成本过高。

3. 多核微处理器带来的问题与解决方案

随着多核微处理器的引入，核心之间的通信功耗相对于计算功耗大幅增加。传统的2D互连，如片上导线、片外PCB走线等，会导致大量的功率耗散和延迟，并且在集成千核芯片时缩放性能会下降