Spectrum-X и Quantum-X Photonics — Nvidia внедряет кремниевую фотонику в коммутаторы

Рост мощности ИИ-систем превратил сетевую инфраструктуру дата-центров в ключевой элемент вычислительных комплексов. Чтобы решить проблему гигантских энергозатрат на передачу данных, Nvidia представила коммутаторы Spectrum-X и Quantum-X с интегрированной кремниевой фотоникой. Эти решения сокращают энергопотребление сетевого оборудования в 3 раза, что критически важно для современных ИИ-кластеров с тысячами ускорителей.

В традиционных ЦОД до 10% энергии тратится не на вычисления, а на обеспечение работы сетевой инфраструктуры. В кластере со 100 000 серверов оптические трансиверы потребляют до 40 МВт — столько же, сколько небольшой город. Это происходит по следующим причинам:

Каждый трансивер содержит 8 лазеров (10 Вт) и столько же DSP-блок (20 Вт);

Сигнал теряет до 22 дБ мощности из-за множества электрических соединений, вызывающих помехи.

Nvidia пересмотрела подход к созданию сетевых решений, интегрировав фотонные модули прямо в чипы коммутаторов. Это позволило убрать лишние компоненты и сократить энергопотребление на более чем 300%. 

Новые коммутаторы используют единый фотонный движок, встроенный в ASIC микросхему. Это устраняет необходимость в отдельных DSP-блоках и сокращает число лазеров до 2 штук на 1 порт. Благодаря этому энергопотребление 1 порта уменьшается до 9 Вт, тогда как традиционные трансиверы потребляют 30 Вт на 1 порт. Кроме того, это позволяет снизить потерю сигнала до 4 дБ вместо 22 дБ, а также в 63 раза улучшить целостность сигнала. Вот какие характеристики получили фотонные коммутаторы Spectrum-X и Quantum-X:

• Spectrum-X SN6800: 512 портов 800GbE, пропускная способность 409.6 Тбит/с;
• Spectrum-X SN6810: 128 портов 800GbE, 102.4 Тбит/с.
• Quantum-X: 144 порта 800G, 115 Тбит/с, жидкостное охлаждение.

Релиз Spectrum-X запланирован на 2 половину 2026 года, а Quantum-X появится уже во 2 половине 2025 года.

В основе новинок лежат микрокольцевые модуляторы (MRM), разработанные Nvidia совместно с компанией TSMC, работоспособность которых обеспечивается технологией “многоэтажной” упаковки чипов COUPE. Помимо TSMC, в разработке проекта участвовали такие компании, как:

• Coherent и Lumentum — поставка лазеров;
• Foxconn и Fabrinet — сборка;
• Corning — оптические кабели.

Для кластера с 40 МВт сетевого энергопотребления внедрение Spectrum-X и Quantum-X позволяет сократить затраты на энергию на $1.2 миллионов в год и ускорить развертывание дата-центров на 30% за счет упрощения схемы подключения коммутаторов.

Несмотря на появление прорывных технологий Spectrum-X и Quantum-X, система межсоединения NVLink внутри серверных стоек по-прежнему использует медные элементы — их замена на оптику в данный момент экономически нецелесообразна. Кроме того, трансиверы в графических чипах также пока что не претерпевают значительных изменений в выборе материала производства. Однако, уже к 2027 году Nvidia планирует встроить фотонные модули в свои ИИ-чипы, что сократит энергопотребление дата-центров еще на 40%. Это станет следующим шагом к созданию передовых ЦОД, где 90% энергии тратится непосредственно на вычислительные операции.

Spectrum-X и Quantum-X решают проблему, которая годами ограничивала рост вычислительных кластеров, и задают новый стандарт энергоэффективности дата-центров. Это позволит создавать гораздо более производительные системы, способные выполнять сложнейшие вычислительные операции в огромном количестве. Однако внедрение Spectrum-X и Quantum-X потребует пересмотра архитектуры ЦОД и тесного сотрудничества с партнерами Nvidia. Тем не менее, нельзя не отметить, что Nvidia сделала еще один шаг к будущему, где в микроэлектронике повсеместно применяются энергоэффективные фотонные технологии.