如何打破內(nèi)存限制融合HBM與DDR5創(chuàng)新

新的內(nèi)存方案出現(xiàn)，可將帶寬再提升一個(gè)臺(tái)階。 ? 在 2024 年，如果需要將數(shù)十個(gè)、數(shù)百個(gè)、數(shù)千個(gè)甚至數(shù)萬(wàn)個(gè)加速器拼接在一起，那么互連就是個(gè)大課題了。

英偉達(dá)（Nvidia）?擁有 NVLink 和 InfiniBand。Google 的 TPU 吊艙使用光電路開(kāi)關(guān) （OCS） 相互通信。AMD 擁有 Infinity Fabric，用于芯片到芯片、芯片到芯片以及即將推出的節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)流量。當(dāng)然，還有好的老式以太網(wǎng)。

這里的訣竅不是構(gòu)建足夠大的網(wǎng)格，而是抵御與離包相關(guān)的大量性能損失和帶寬瓶頸。它也沒(méi)有做任何事情來(lái)解決這樣一個(gè)事實(shí)，即所有這些 AI 處理所依賴的 HBM 內(nèi)存都以固定的比例與計(jì)算相關(guān)聯(lián)。

“這個(gè)行業(yè)正在使用Nvidia GPU作為世界上最昂貴的內(nèi)存控制器，”Dave Lazovsky說(shuō)，他的公司Celestial AI剛剛在USIT和許多其他風(fēng)險(xiǎn)投資巨頭支持的C輪融資中獲得了1.75億美元，以將其光子織物商業(yè)化。

去年夏天，我們研究了Celestial的光子結(jié)構(gòu)，其中包括一系列硅光子學(xué)互連器、中介層和小芯片，旨在將AI計(jì)算從內(nèi)存中分解出來(lái)。不到一年后，他們正在與幾家超大規(guī)模客戶和一家大型處理器制造商合作，將其技術(shù)集成到他們的產(chǎn)品中。Lazovsky沒(méi)有指名道姓。

但事實(shí)上，Celestial將AMD Ventures視為其支持者之一，其高級(jí)副總裁兼產(chǎn)品技術(shù)架構(gòu)師Sam Naffziger在公告發(fā)布的同一天討論了共同封裝硅光子小芯片的可能性，這無(wú)疑引起了一些人的注意。話雖如此，AMD為光子學(xué)初創(chuàng)公司提供資金并不意味著我們將永遠(yuǎn)在Epyc CPU或Instinct GPU加速器中看到Celestial的小芯片。

雖然 Lazovsky 無(wú)法透露 Celestial 與誰(shuí)合作，但他確實(shí)提供了一些關(guān)于該技術(shù)如何集成的線索，以及即將推出的 HBM 內(nèi)存設(shè)備的先睹為快。

正如我們?cè)谧畛跎孀鉉elestial的產(chǎn)品戰(zhàn)略時(shí)所討論的那樣，該公司的零件分為三大類(lèi)：小芯片、中介層和英特爾EMIB或臺(tái)積電CoWoS的光學(xué)旋轉(zhuǎn)，稱為OMIB。

不出所料，Celestial的大部分吸引力都集中在小芯片上?！拔覀儧](méi)有做的是試圖強(qiáng)迫我們的客戶采用任何一種特定的產(chǎn)品實(shí)施。目前，為光子結(jié)構(gòu)提供接口的風(fēng)險(xiǎn)最低、最快、最不復(fù)雜的方法是通過(guò)小芯片，“Lazovsky告訴 The Next Platform。

從廣義上講，這些小芯片可以以兩種方式使用：要么增加額外的 HBM 內(nèi)存容量，要么作為芯片到芯片的互連，分類(lèi)或類(lèi)似于光學(xué) NVLink 或 Infinity Fabric。

這些小芯片比 HBM 堆棧小一點(diǎn)，提供光電互連，片外總帶寬為 14.4 Tb/s或 1.8 GB/s。

話雖如此，我們被告知可以制造一個(gè)小芯片來(lái)支持更高的帶寬。第一代技術(shù)可以支持每平方毫米約 1.8 Tb/s的速度。與此同時(shí)，Celestial的第二代Photonic結(jié)構(gòu)將從56 Gb/s提高到112 Gb/s的PAM4 SerDes，并將通道數(shù)量從4個(gè)增加到8個(gè)，從而有效地將帶寬翻兩番。

因此，14.4 Tb/s不是上限，而是現(xiàn)有芯片架構(gòu)能夠處理的結(jié)果。這是有道理的，否則任何額外的容量都會(huì)被浪費(fèi)。

這種連接性意味著 Celestial 可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于 NVLink 的互連速度，只是沿途的步驟更少。

雖然芯片到芯片的連接相對(duì)不言自明——在每個(gè)封裝上放一個(gè)光子織物小芯片并對(duì)齊光纖連接——但內(nèi)存擴(kuò)展完全是另一種動(dòng)物。雖然 14.4 Tb/s的速度并不慢，但對(duì)于多個(gè) HBM3 或 HBM3e 堆棧來(lái)說(shuō)，它仍然是一個(gè)瓶頸。這意味著添加更多的 HBM 只會(huì)讓您的容量超過(guò)某個(gè)點(diǎn)。盡管如此，用兩個(gè) HBM3e 堆棧代替一個(gè)堆棧并不算什么。

Celestial 有一個(gè)有趣的解決方法，即它的內(nèi)存擴(kuò)展模塊。由于帶寬的上限為 1.8 GB/s，因此該模塊將僅包含兩個(gè)總計(jì) 72 GB 的 HBM 堆棧。此外，還將配備一組 4 個(gè) DDR5 DIMM，支持高達(dá) 2 TB 的額外容量。

Lazovsky不愿將所有豆子都灑在產(chǎn)品上，但確實(shí)告訴我們，它將使用Celestial的硅光子學(xué)中介層技術(shù)作為HBM，互連和控制器邏輯之間的接口。

說(shuō)到模塊的控制器，我們被告知 5nm開(kāi)關(guān) ASIC 有效地將 HBM 變成 DDR5 的直寫(xiě)緩存。“它為您提供了 DDR 的容量和成本以及帶寬和 HBM 互連的 32 個(gè)偽通道的所有優(yōu)勢(shì)，從而隱藏了延遲，”Lazovsky 解釋道。

他補(bǔ)充說(shuō)，這與英特爾對(duì)至強(qiáng)Max所做的或英偉達(dá)對(duì)其GH200超級(jí)芯片所做的事情相去不遠(yuǎn)。“它基本上是一個(gè)增壓的 Grace-Hopper，沒(méi)有所有的成本開(kāi)銷(xiāo)，而且效率更高?！?/p>

效率提高多少？“我們的內(nèi)存事務(wù)能量開(kāi)銷(xiāo)約為每比特 6.2 皮焦耳，而通過(guò) NVLink、NVSwitch 進(jìn)行遠(yuǎn)程內(nèi)存事務(wù)的開(kāi)銷(xiāo)約為 62.5 皮焦耳，”Lazovsky稱，并補(bǔ)充說(shuō)延遲也不高。

“這些遠(yuǎn)程內(nèi)存事務(wù)的總往返延遲，包括通過(guò)光子結(jié)構(gòu)的兩次旅行和內(nèi)存讀取時(shí)間，為120納秒，”他補(bǔ)充道：“因此，它將比大約80納秒的本地內(nèi)存多一點(diǎn)，但它比去Grace并讀取參數(shù)并將其拉到Hopper要快。”

據(jù)我們了解，這些內(nèi)存模塊中的 16 個(gè)可以嚙合并為一個(gè)內(nèi)存交換機(jī)，并且可以使用光纖隨機(jī)播放連接多個(gè)這些設(shè)備。

這意味著，除了計(jì)算、存儲(chǔ)和管理網(wǎng)絡(luò)之外，使用Celestial互連構(gòu)建的芯片不僅能夠相互連接，而且能夠共享內(nèi)存池。

“這允許你以一種非常非常有效的方式進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)操作，例如廣播和減少，而無(wú)需切換，” Lazovsky說(shuō)。

Celestial面臨的挑戰(zhàn)是時(shí)機(jī)。Lazovsky告訴我們，他預(yù)計(jì)將在 2025 年下半年的某個(gè)時(shí)候開(kāi)始向客戶提供光子織物小芯片的樣品。然后，他預(yù)計(jì)至少還需要一年時(shí)間，我們才能看到使用該設(shè)計(jì)的產(chǎn)品投放市場(chǎng)，并在2027年實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)量增長(zhǎng)。

然而，Celestial并不是唯一一家追求硅光子學(xué)的初創(chuàng)公司。另一家獲得英特爾投資支持的光子學(xué)初創(chuàng)公司Ayar Labs已經(jīng)將其光子學(xué)互連集成到原型加速器中。

然后是 Lightmatter，它在去年 12 月獲得了 1.55 億美元的 C 輪融資，并試圖通過(guò)其 Passage 中介層做一些與 Celestial 非常相似的事情。當(dāng)時(shí)，Lightmatter 首席執(zhí)行官尼克·哈里斯 （Nick Harris） 聲稱，它有客戶使用 Passage 來(lái)“擴(kuò)展到 300,000 臺(tái)節(jié)點(diǎn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)”。當(dāng)然，和拉佐夫斯基一樣，哈里斯也不會(huì)告訴我們它的客戶是誰(shuí)。

還有 Eliyan，它正試圖通過(guò)其 NuLink PHY 完全擺脫中介層——或者如果你必須擁有它們，可以提高中介層的性能和規(guī)模。

無(wú)論誰(shuí)在這場(chǎng)競(jìng)賽中脫穎而出，向共封裝光學(xué)器件和硅光子中介層的轉(zhuǎn)變似乎只是時(shí)間問(wèn)題。

審核編輯：黃飛