Synopsys PCI Express UA Link 矽光子 NVLink Fusion 矽智財

AI驅動高速介面演進 光電融合趨勢成形

2025-07-21
生成式AI的興起,讓高速介面領域出現明顯的陣營對決態勢,技術進步的速度也因為廠商之間的激烈競爭而加速。矽光子技術發展腳步明顯加快,就是一個很好的案例。為了讓光電訊號間的轉換更加平順,在設計下一代電氣介面時,將光介面的需求納入考量,將是必然的趨勢。

頻寬、傳輸距離與功耗,是高效能運算(HPC)應用對介面技術最看重的三項關鍵指標。但這三個指標之間往往是互相牴觸的:若要追求更大頻寬,在不更換介質材料的前提下,訊號的傳輸距離就會變短,耗電量也會增加。矽光子技術的發明,就是希望將具有低損耗、大頻寬與單位資料傳輸功耗更低這三大優勢的光通訊技術,應用在電子設備,甚至是電子元件之間的互連上。

然而,從電氣訊號轉向光訊號,不只是一個重大的典範轉移,技術上要實作也相當複雜。圖1是一個典型電/光訊號轉換的訊號鏈示意圖。從圖1可以看出,不管是發送端(Tx)或接收端(Rx),在處理器或ASIC與光纖之間,還有一連串元件如數位訊號處理器(DSP)、驅動器(Driver)/放大器(TIA)、調變器(Modulator)/光子感測器(PD)與耦合器(Coupler)存在。因此,從電轉光會是一項耗時至少數年的大工程,而且在初期,其成本會相當高昂。

圖1 典型的電/光轉換訊號鏈架構

因此,在這段技術典範轉移的過程中,原本基於電訊號的技術標準,都必須開始為光電融合的時代做好準備。負責制定PCI Express(PCIe)標準的PCI-SIG,在發表PCIe 7.0標準時,同時推出Optical Awared Retimer標準,就是在為光電融合的下一個世代預作準備。 

AI應用等不及 PCIe加速進化

新思科技(Synopsys) IP事業群資深副總裁John Koeter(圖2)認為,在可預見的未來,電氣訊號在高效能運算應用中仍會是主流。以PCIe標準為例,從IP提供者的角度,我們看到的是標準進化的節奏正在加快,每兩年更新一代已成常態。而且,至少到PCIe 7,甚至是目前還在路徑探索(Pathfinding)中的PCIe 8,應該都還會是以電氣訊號作為主要的資料傳輸方法。在PCI-SIG DevCon 2025期間,新思就與Samtec聯合展示了PCIe 7.0實體層(PHY) IP結合主動線纜技術,在2公尺長的線纜上實現128GT/s電訊號傳輸,證明電訊號還有繼續發展的潛力。

圖2 新思科技(Synopsys) IP事業群資深副總裁John Koeter:光電融合是大勢所趨,必須超前布署。

AI運算負載是驅動PCIe標準進化的最大動能。因為高速互連的頻寬、延遲若跟不上AI加速器的運算速度,會造成加速器閒置,對AI資料中心的利用率與投資回報會造成很大的影響。因此,業界對高頻寬、低延遲的互連技術有很強勁的需求。

事實上,即便PCIe標準已經以每兩年更新一代的速度進化,仍處於追趕狀態(圖3)。例如在垂直擴展(Scale-up)領域,不管是NVLink或UALink,其吞吐量都還是比最新的PCIe標準要高。也因為如此, 業界必須以乙太網(Ethernet),而非專門用來實現晶片/板卡互連的PCIe作為基礎技術,發展專為垂直擴展場景所設計的專用技術標準。

圖3 PCIe標準快速升級,仍追不上HPC應用對頻寬的需求

從某個角度來看, 這是不得不然的選擇。畢竟,PCIe的整體效率還是優於乙太網,只是吞吐量的提升速度太慢,追不上應用需求。

光電融合正式納入PCIe標準

雖然在可預見的未來, 不過, 這也讓PCIe技術未來的發展方向更容易預測。例如UA Link目前最高已能支援224G傳輸,PCIe 7的原始位元速率則僅有128GT/s。未來的PCIe標準,應該會以追平UA Link作為基本目標。

電氣訊號仍會是高效能運算系統內最常見的資料傳輸方式,但新思也已經觀察到,光傳輸技術已開始從水平擴展(Scale-out)滲透到垂直擴展。因此,新思很早就在SERDES IP的設計上展開超前布署,把光電融合所衍生的需
求,納入IP的設計目標中,同時也在矽光子相關IP上展開布局。PCI-SIG在發表PCIe 7.0標準時,同步發表Optical Aware Retimer標準規範,也是在為光電融合的未來做準備。

Optical Aware Retimer將讓開發者可以無縫地在符合PCIe 6.4與7.0規範的交換器(Switch)、根複雜體(Root Complex)與端點晶片(Endpoint)之間,使用光學技術進行互連,並大幅延長PCIe訊號的傳輸距離,使其更適合應用在跨機櫃(Rack)與伺服器叢集(Pod)的互連上。

同時,Optical Aware Retimer也讓跨電氣與光學傳輸領域的多路傳輸(Multiplexing)與資料映射(Data Mapping)有了標準化的實作方法,並且讓開發者可以實現比現有電氣/銅互連更緊湊的設計。

AI興起加快市場/技術變動

Koeter總結說,AI運算的興起,對產業帶來很大的改變。不僅技術演進的節奏更快,產業變化的速度也提升了。在技術層面,業界都已經認知到光傳輸是不可避免的趨勢,並開始為這個重大的典範轉移做好各種準備;在產業層面,開放生態系快速崛起,也讓現有的產業領導者必須拿出具體作為,因應後進者的挑戰。

UA Link與NVLink Fusion的對決,會是2026年高速介面領域的一場重頭戲。目前已經確定的是,多家UA Link陣營的IC供應商將在2025年第四季完成設計定案(Tapeout),同時,NVLink Fusion的設計專案也會快速啟動。

Koeter相信,2026年會是開放陣營有些斬獲的一年,即便無法動搖NVLink的領導地位,仍能搶下一些市占率。作為同時支持NVLink Fusion與UALink的IP供應商,新思會持續推出高品質的IP方案,讓IC設計團隊能在更短時間內完成產品設計,早日將產品推向量產。

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