NVIDIA: Silicon Photonics và Co-Packaged Optics – Thay Đổi Cuộc Chơi Trong Kỷ Nguyên AI và HPC - Blog

Trong kỷ nguyên của Trí tuệ Nhân tạo (AI) và Điện toán Hiệu năng Cao (HPC), nơi dữ liệu là vàng và tốc độ là chìa khóa, hạ tầng mạng đóng vai trò tối quan trọng. Chúng ta đã chứng kiến sự bùng nổ của các chuẩn mạng siêu tốc như InfiniBand 400Gb/s (NDR), 800Gb/s (XDR) và Ethernet 400GbE (IEEE 802.3bs), 800GbE (IEEE P802.3df). Tuy nhiên, liệu chúng ta có thể tiếp tục tăng tốc độ mạng mãi mãi với công nghệ quang học truyền thống? Câu trả lời là không, ít nhất là không theo cách hiệu quả nhất. NVIDIA, với tầm nhìn đột phá, đang dẫn đầu cuộc cách mạng này bằng Co-Packaged Optics (CPO) và công nghệ Silicon Photonics của họ, đặc biệt qua các dòng sản phẩm Spectrum-X Photonics và Quantum-X Photonics. Đây không chỉ là một cải tiến, mà là một sự thay đổi cơ bản trong cách chúng ta xây dựng và vận hành mạng trung tâm dữ liệu.

Thách Thức Của Quang Học Truyền Thống Trong Kỷ Nguyên Siêu Tốc Độ

Giải pháp hạ tầng Deep Learning, Trí tuệ Nhân tạo - AI

Để hiểu rõ sự cần thiết của CPO, chúng ta cần nhìn vào những hạn chế của phương pháp quang học truyền thống – các module thu phát quang cắm ngoài (pluggable optics).

Pluggable Optics là những module nhỏ gọn như QSFP, OSFP mà chúng ta thường thấy được cắm vào các cổng trên switch hoặc card mạng. Nhiệm vụ của chúng là chuyển đổi tín hiệu điện (từ chip chuyển mạch) thành tín hiệu quang để truyền qua cáp quang, và ngược lại. Đây là một giải pháp đã phục vụ tốt trong nhiều năm, nhưng đang gặp phải những rào cản đáng kể ở tốc độ 400GbE, 800GbE và cao hơn, đặc biệt khi các chuẩn 1.6TbE đang bắt đầu xuất hiện:

Tiêu thụ điện năng tăng theo cấp số nhân: Mỗi module quang cần năng lượng để chuyển đổi tín hiệu. Khi tốc độ tăng, công suất tiêu thụ của chúng cũng tăng lên đáng kể. Trong một trung tâm dữ liệu quy mô lớn với hàng ngàn cổng, tổng lượng điện năng tiêu thụ chỉ riêng cho các module quang có thể trở thành một gánh nặng khổng lồ, làm tăng chi phí vận hành và yêu cầu hệ thống làm mát phức tạp.
Chi phí cao: Các module quang tốc độ cao là những thành phần phức tạp, sử dụng vật liệu và quy trình sản xuất đắt tiền, dẫn đến chi phí đầu tư ban đầu rất lớn.
Mật độ cổng hạn chế: Kích thước vật lý của các module và không gian cần thiết để tản nhiệt, cũng như kết nối điện giữa chúng và chip chuyển mạch, giới hạn số lượng cổng quang có thể tích hợp trên một switch. Điều này gây khó khăn cho việc mở rộng mạng lên quy mô cực lớn (ví dụ: hàng chục nghìn GPU).
Độ trễ và suy hao tín hiệu: Tín hiệu điện từ chip chuyển mạch phải đi qua một khoảng cách nhất định trên bo mạch chủ trước khi đến module quang. Khoảng cách này, dù nhỏ, cũng gây ra suy hao tín hiệu (insertion loss) và thêm độ trễ (latency). Để bù đắp, các mạch điều chỉnh tín hiệu phức tạp hơn (DSP – Digital Signal Processor) là cần thiết, làm tăng công suất tiêu thụ và chi phí.

Co-Packaged Optics (CPO): Khái Niệm Và Cuộc Cách Mạng

Co-Packaged Optics (CPO) là một triết lý thiết kế đột phá nhằm giải quyết triệt để những thách thức trên. Thay vì là một module riêng biệt được cắm bên ngoài, các thành phần quang học (laser, bộ điều biến, bộ tách sóng, v.v.) được đóng gói trực tiếp cùng với chip điện tử (ví dụ: chip chuyển mạch) hoặc đặt rất gần nhau trên cùng một đế (substrate).

Về mặt kỹ thuật, sự khác biệt then chốt là:

Loại bỏ khoảng cách điện: Bằng cách đưa các thành phần quang học sát ngay cạnh chip chuyển mạch, khoảng cách tín hiệu điện được rút ngắn đáng kể, giảm thiểu suy hao và không cần các bộ xử lý tín hiệu phức tạp, tốn năng lượng.
Tích hợp sâu ở cấp độ chip: Điều này cho phép tối ưu hóa toàn bộ đường dẫn tín hiệu từ đầu đến cuối, từ chip xử lý đến sợi quang, mang lại hiệu quả cao hơn.

Tại sao CPO lại là một cuộc cách mạng? CPO không chỉ là một cải tiến vật lý; nó thay đổi cơ bản cách chúng ta tiếp cận thiết kế mạng. Nó cho phép vượt qua các rào cản vật lý và năng lượng mà pluggable optics đang đối mặt ở tốc độ siêu cao, mở ra cánh cửa cho kỷ nguyên mạng “nghìn Terabit”.

NVIDIA Silicon Photonics: Tầm Nhìn Và Công Nghệ CPO Của NVIDIA

NVIDIA đã nhìn thấy trước tương lai này và đang đầu tư mạnh mẽ vào công nghệ Silicon Photonics của riêng mình để thúc đẩy CPO. Silicon Photonics là công nghệ chế tạo các mạch quang trên nền tảng silicon, tương tự như cách chúng ta chế tạo mạch điện tử. Điều này cho phép tích hợp hàng loạt các thành phần quang học trên một chip nhỏ, với chi phí thấp hơn và độ chính xác cao hơn so với quang học truyền thống.

NVIDIA đang triển khai công nghệ Silicon Photonics thông qua các dòng sản phẩm CPO của mình:

NVIDIA Spectrum-X Photonics (cho Ethernet): Đây là các dòng switch Ethernet được thiết kế đặc biệt cho các “nhà máy AI” quy mô lớn. Với việc tích hợp Silicon Photonics và CPO, Spectrum-X Photonics mang lại hiệu suất vượt trội và hiệu quả năng lượng cao hơn hẳn các giải pháp Ethernet truyền thống cho các tác vụ AI. Nó được tối ưu hóa để xử lý các luồng dữ liệu AI khổng lồ, giảm thiểu tắc nghẽn và đảm bảo độ trễ thấp, nhất quán. Các sản phẩm mới nhất có thể hỗ trợ tốc độ 800GbE và đang hướng tới 1.6TbE trong tương lai gần.

NVIDIA Quantum-X Photonics (cho InfiniBand): Dành cho các siêu máy tính và cụm HPC/AI hiệu năng cao nhất, Quantum-X Photonics tiếp tục đẩy giới hạn của InfiniBand. Việc tích hợp CPO và Silicon Photonics giúp InfiniBand duy trì vị thế dẫn đầu về băng thông và độ trễ cực thấp, vốn là yếu tố then chốt cho các mô phỏng khoa học phức tạp và huấn luyện mô hình học sâu khổng lồ. Các giải pháp Quantum-X đã vượt qua NDR (400Gb/s) và đang tích cực phát triển cho thế hệ XDR (800Gb/s) và cao hơn nữa.

Về mặt kỹ thuật, cách NVIDIA tận dụng CPO bao gồm:

Tích hợp sâu ở cấp độ wafer: NVIDIA đang thiết kế các chip chuyển mạch (ví dụ: chip Spectrum-4 hoặc thế hệ tiếp theo) để chúng hoạt động liền mạch với các thành phần quang học được sản xuất bằng quy trình silicon photonics và đóng gói cùng.
Kiểm soát toàn diện chuỗi cung ứng: Bằng cách đầu tư vào Silicon Photonics của riêng mình (ví dụ thông qua việc mua lại Mellanox, AIO Computing và hợp tác chiến lược với các nhà cung cấp laser như Lumentum, Coherent, hoặc phát triển nội bộ), NVIDIA đảm bảo khả năng kiểm soát chất lượng, hiệu suất và sản lượng.

Lợi ích cụ thể và tác dụng của CPO và NVIDIA Silicon Photonics là rất đáng kể:

Giảm đáng kể tiêu thụ điện năng: Theo ước tính và các báo cáo phân tích mới nhất, CPO có thể giảm công suất tiêu thụ của cổng quang lên đến 3-5 lần so với các module quang cắm ngoài, đặc biệt ở các tốc độ cao như 800GbE và 1.6TbE. Điều này trực tiếp giảm chi phí vận hành và yêu cầu làm mát, góp phần xây dựng các trung tâm dữ liệu xanh hơn, bền vững hơn.
Giảm độ trễ: Do đường dẫn tín hiệu điện được rút ngắn và tối ưu hóa, độ trễ tín hiệu được giảm thiểu đáng kể, thường xuống mức dưới vài nano giây (ns) cho mỗi chặng truyền. Trong các ứng dụng HPC và AI, mỗi nanô giây đều có giá trị, việc giảm độ trễ trực tiếp giúp tăng tốc độ hội tụ của các thuật toán phân tán.
Tăng mật độ cổng trên switch: Với việc loại bỏ các module vật lý cồng kềnh, các nhà sản xuất có thể tích hợp nhiều cổng hơn trên mỗi switch. Điều này cho phép xây dựng các cụm mạng quy mô lớn hơn với ít thiết bị vật lý hơn, đơn giản hóa quản lý và giảm không gian chiếm dụng, tạo điều kiện cho các switch 51.2Tb/s hoặc cao hơn.
Đơn giản hóa thiết kế và triển khai: Ít thành phần rời rạc hơn đồng nghĩa với ít điểm lỗi tiềm tàng hơn. Việc tích hợp sâu giúp giảm sự phức tạp trong thiết kế hệ thống và quá trình triển khai.
Độ tin cậy cao hơn: Giảm các kết nối vật lý bên ngoài giúp cải thiện độ tin cậy tổng thể của hệ thống mạng.

Tác Động Của CPO Đến Kiến Trúc HPC-AI Tương Lai

NVIDIA Silicon Photonics và CPO không chỉ là một công nghệ mới, mà còn là một yếu tố thay đổi cuộc chơi, định hình lại cách chúng ta thiết kế các kiến trúc HPC và AI trong tương lai:

Cho phép các cụm AI/HPC quy mô chưa từng có: Để xây dựng các siêu máy tính thế hệ exascale và zettascale (hàng triệu, thậm chí hàng tỷ kết nối), hoặc các “nhà máy AI” với hàng chục nghìn GPU hoạt động đồng thời, mật độ và hiệu suất mạng là điều kiện tiên quyết. CPO là chìa khóa để đạt được mật độ kết nối và băng thông cần thiết mà không bị vướng bận bởi các hạn chế về điện năng và không gian.
Hiệu suất và hiệu quả năng lượng vượt trội: Với chi phí năng lượng thấp hơn và độ trễ giảm, các trung tâm dữ liệu có thể triển khai nhiều GPU hơn và huấn luyện các mô hình AI lớn hơn trong thời gian ngắn hơn, với chi phí vận hành thấp hơn. Điều này trực tiếp cải thiện tổng chi phí sở hữu (TCO) và mang lại lợi thế cạnh tranh đáng kể.
Tăng tốc độ hội tụ của các tác vụ AI/HPC: Trong các tác vụ huấn luyện mô hình học sâu phân tán hoặc mô phỏng khoa học, việc truyền dữ liệu giữa các bộ xử lý (GPU, CPU) là liên tục. Việc giảm độ trễ mạng trực tiếp giúp các thuật toán hội tụ nhanh hơn, rút ngắn thời gian tính toán và tăng cường năng suất nghiên cứu.
Thúc đẩy mô hình “Data Center is the Computer”: Với CPO, ranh giới giữa chip và mạng trở nên mờ nhạt. Toàn bộ trung tâm dữ liệu được xem như một đơn vị tính toán khổng lồ, nơi dữ liệu di chuyển một cách liền mạch và hiệu quả giữa các thành phần. Điều này cho phép thiết kế các hệ thống tập trung vào dữ liệu và tính toán phân tán một cách hiệu quả hơn bao giờ hết, mở đường cho những kiến trúc hoàn toàn mới.

Tầm Nhìn Dài Hạn Của NVIDIA: Định Hình Lại Toàn Bộ Stack Mạng

NVIDIA không chỉ đơn thuần sản xuất chip đồ họa. Tầm nhìn của họ là xây dựng một nền tảng điện toán toàn diện, từ GPU, CPU, DPU cho đến toàn bộ stack mạng. CPO là một mảnh ghép quan trọng trong bức tranh đó.

NVIDIA đang xây dựng một giải pháp mạng “full-stack” (từ phần cứng đến phần mềm), nơi CPO ở lớp vật lý kết hợp với:

BlueField DPU (Data Processing Unit): Đảm nhận các tác vụ hạ tầng mạng, lưu trữ và bảo mật, giải phóng tài nguyên CPU/GPU. Các thế hệ BlueField mới nhất đã tích hợp sâu hơn với khả năng xử lý mạng tốc độ cao và offload nhiều tác vụ hơn từ CPU.
NVIDIA DOCA (Data Center On a Chip Architecture): Nền tảng phần mềm cho phép lập trình và quản lý các DPU và hạ tầng mạng, cung cấp API và thư viện để tối ưu hóa hiệu suất và bảo mật.
In-Network Computing (với SHARP): Xử lý dữ liệu trực tiếp trong mạng để giảm đáng kể lượng dữ liệu cần di chuyển đến CPU/GPU, cải thiện hiệu quả tổng thể.

Sự cộng hưởng giữa công nghệ Silicon Photonics, CPO và các công nghệ phần mềm khác tạo nên một hệ sinh thái mạng “AI-native” độc đáo, được tối ưu hóa từ đầu đến cuối cho các khối lượng công việc AI và HPC khắt khe nhất. CPO và Silicon Photonics là chìa khóa không chỉ cho 400 GbE, mà còn cho các mạng 800 GbE và hơn thế nữa. Dù CPO còn đang trong giai đoạn đầu triển khai thương mại rộng rãi, nhưng nó hứa hẹn sẽ trở thành tiêu chuẩn vàng cho mạng trung tâm dữ liệu trong thập kỷ tới, mở ra kỷ nguyên mới của điện toán quy mô lớn.

Nhất Tiến Chung (NTC) hiện là nhà cung cấp các giải pháp hạ tầng CNTT, điện toán hiệu năng cao (HPC) và lưu trữ cho AI. Chúng tôi là đối tác NPN cấp Elite của NVIDIA cho các hệ thống DGX và hệ thống cụm siêu máy tính DGX SuperPOD với sức mạnh lưu trữ song song của DDN và kết nối mạng tốc độ cao từ hãng Mellanox (thuộc NVIDIA).

Với vai trò là đối tác NPN chính thức của NVIDIA, chúng tôi có thể giúp bạn có được các sản phẩm GPU cao cấp nhất của NVIDIA như L4, L40S, H200, H200 NVL, B200,…, đặc biệt là với thực trạng khan hiếm GPU do các hạn chế thương mại về nhập khẩu GPU như hiện nay.

Bạn muốn trở thành đối tác bán hàng NVIDIA của NTC?

Đăng ký ngay

____
Bài viết liên quan