نشرت شركة Hynix خارطة طريقها الخاصة بتقنية CPO في إحدى المجلات الرائدة: ليس فقط "استخدام الضوء بين قوة الحوسبة"، ولكن أيضًا توسيع نطاق الضوء ليشمل واجهات الذاكرة.

نشرت شركة SK Hynix، بالتعاون مع جامعة فرجينيا ومؤسسات أخرى، ورقة بحثية حول خارطة طريق تقنية نقاط المعالجة الحسابية (CPO) في مجلة Nature Electronics. تشير المقالة إلى أنه بينما تتضاعف القدرة الحاسوبية ثلاث مرات كل عامين، لا يزيد عرض النطاق الترددي للوصلات البينية إلا بمقدار 1.4 مرة، مما يجعل "حاجز عرض النطاق الترددي" عائقًا رئيسيًا أمام توسع الذكاء الاصطناعي. وتُعدّ تقنية CPO إنجازًا هامًا، مع رؤية مستقبلية لتوسيع نطاقها ليشمل واجهات الذاكرة، مما يسمح لمسرعات الذكاء الاصطناعي المتعددة بمشاركة نفس مجمع الذاكرة وتحسين كفاءة استخدامها.

في 20 أغسطس، نشر باحثون من شركة إس كيه هاينكس وجامعة فرجينيا ومؤسسات أخرى ورقة بحثية مشتركة في مجلة " نيتشر إلكترونيكس " العلمية المرموقة، تُحدد بشكل منهجي خارطة طريق تطوير تقنية البصريات المدمجة (CPO) في الحوسبة عالية الأداء والذكاء الاصطناعي. وتُعد هذه المرة الأولى التي تكشف فيها إس كيه هاينكس علنًا عن المخطط التقني لبنية الربط البيني للذكاء الاصطناعي في مجلة علمية بهذا المستوى من الشهرة.

تُجادل الورقة البحثية بأنه في حين أن تقنية HBM قد حلت مشكلة عنق الزجاجة في الذاكرة داخل الرقائق، إلا أنه مع توسع مجموعات الذكاء الاصطناعي لتشمل آلاف وحدات معالجة الرسومات، أصبح نقل البيانات بين الخوادم قيدًا جديدًا - "جدار النطاق الترددي". وتُعتبر تقنية CPO مسارًا رئيسيًا للتغلب على هذه المشكلة.

تتمثل الرؤية طويلة المدى لهذه الورقة البحثية في توسيع نطاق الوصلات البصرية لتشمل واجهات الذاكرة. وتركز الحلول الحالية بشكل أساسي على نقل البيانات بين المعالجات ووحدات التخزين. أما البنية المقترحة "التي تتمحور حول البصريات"، فتربط مباشرةً بين مجموعة موارد المعالج (مجموعة XPU) ومجموعة موارد الذاكرة عبر طبقة وسيطة ضوئية. وهذا يُمكّن مُسرّعات الذكاء الاصطناعي المتعددة من مشاركة كمية كبيرة من الذاكرة، متجاوزةً بذلك قيود التغليف المادية الحالية.

المؤلفان الرئيسيان للورقة البحثية هما سونغهون هونغ، رئيس فريق البنية التحتية للذكاء الاصطناعي في شركة إس كيه هاينكس، وكيوسانغ لي، أستاذ في قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسوب بجامعة فرجينيا. وتشمل المؤسسات المشاركة أيضاً جامعة إلينوي في أوربانا-شامبين (UIUC)، وجامعة نانيانغ التكنولوجية (NTU)، ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، وجامعة يونسي.

ارتفع سهم شركة إس كيه هاينكس صباح اليوم بأكثر من 11% على خلفية أنباء طرحها لأوراق مالية خاصة بزيت النخيل الخام وخطة إعادة شراء الأسهم. كما شهدت أسهم الشركات المحلية التي تعتمد على زيت النخيل الخام مكاسب متقلبة، حيث ارتفع سهم شركة تايتشنغ للإلكترونيات الضوئية بأكثر من 12%، ووصل سهم شركة تشونغجينغ للإلكترونيات إلى الحد الأقصى المسموح به يومياً، بينما ارتفع سهم كل من شركات تيانشون للتكنولوجيا، وشيجيا فوتونيكس، وديكل، وليانتي للتكنولوجيا بأكثر من 6%.

جدار النطاق الترددي: كلما زادت قوة الحوسبة، كلما كان الاختناق أكثر وضوحًا.

لم يعد تدريب نماذج الذكاء الاصطناعي مقتصراً على شريحة أو خادم واحد، بل أصبح يتم عبر شبكات واسعة النطاق تتكون من رفوف ووحدات. في هذا التصميم، لا يعتمد أداء النظام الكلي على كفاءة الاتصال بين المعالج والذاكرة فحسب، بل يعتمد أيضاً بشكل كبير على سرعة نقل البيانات بين الرفوف.

تُظهر البيانات أن قوة الحوسبة تزداد بنحو ثلاثة أضعاف كل عامين، بينما لا يزيد عرض النطاق الترددي للربط البيني إلا بنحو 1.4 مرة خلال نفس الفترة.

هذه الفجوة هي مصدر "جدار النطاق الترددي". لا تزال وصلات الأسلاك النحاسية الكهربائية التقليدية تتمتع بميزة التكلفة على مسافات قصيرة، ولكن مع زيادة سرعات الإرسال والمسافات، يرتفع فقدان الإشارة واستهلاك الطاقة بشكل حاد، مما يتطلب دوائر تعويض أكثر تعقيدًا، كما يزداد زمن الوصول أيضًا.

يشير كيو سانغ لي في ورقته البحثية بشكل مباشر إلى ما يلي: "حتى لو أصبحت رقائق الحوسبة أكثر قوة، فلن يتحسن أداء النظام بشكل عام إذا لم تتمكن سرعة نقل البيانات بين الرقائق من مواكبة ذلك. ويُعد استبدال وصلات النحاس، التي لها قيود فيزيائية متأصلة، بوصلات ضوئية هو المسار الأكثر جدوى لتحقيق قابلية التوسع في المستقبل."

CPO: تغليف المحرك البصري في حزمة معالج

تتمثل الفكرة الأساسية لتقنية CPO في دمج جهاز إرسال واستقبال ضوئي (TRx) في نفس حزمة المعالج، مما يسمح للرقائق بتبادل البيانات باستخدام الإشارات الضوئية بدلاً من الإشارات الكهربائية بعيدة المدى.

وصفها سونغهون هونغ على النحو التالي: "يغير CPO بشكل جذري طريقة تدفق البيانات في أنظمة الذكاء الاصطناعي، مما يزيل أحد أكبر العقبات أمام توسيع نطاق قوة الحوسبة".

على وجه التحديد، تعمل تقنية CPO على ضغط مسافة نقل الإشارات الكهربائية عالية السرعة إلى أقصر مسافة ممكنة، مستبدلةً المسار المتبقي بوصلة ضوئية. يحافظ هذا على كفاءة الوصلات الكهربائية الداخلية للعبوة، مع الاستفادة من خصائص الضوء منخفضة الفقد لتحقيق نقل عالي السرعة عبر الرقائق والرفوف والمجموعات، بالإضافة إلى توفير مقاومة أقوى للتداخل الكهرومغناطيسي.

تحدد الورقة مواصفات فنية واضحة للجيل القادم من البنية التحتية للذكاء الاصطناعي: عرض نطاق ترددي يتجاوز 100 تيرابايت/ثانية لكل عقدة، واستهلاك طاقة أقل من 1 بيكو جول/بت، وزمن انتقال بين الشرائح أقل من 10 نانو ثانية.

كما توضح الورقة تطور CPO من تكوينات الطبقة الوسيطة ثنائية الأبعاد وثنائية الأبعاد ونصف إلى التراص غير المتجانس ثلاثي الأبعاد، وتسرد التحديات التقنية الرئيسية التي يجب التغلب عليها من أجل النشر التجاري.

هدف طويل الأمد: توسيع نطاق الضوء ليشمل واجهات الذاكرة

تقترح الورقة رؤية طويلة المدى لتوسيع نطاق الوصلات البصرية لتشمل واجهات الذاكرة - وهي فكرة معمارية تتجاوز النقاش الحالي حول CPO.

في الحلول الحالية، تُستخدم الوصلات البصرية بشكل أساسي لنقل البيانات بين المعالجات وبين وحدات التخزين. أما البنية المقترحة "التي تركز على البصريات"، فتربط مباشرةً بين مجموعة موارد المعالج (مجموعة XPU) ومجموعة موارد الذاكرة عبر طبقة وسيطة ضوئية.

تكمن الأهمية العملية لهذه البنية في إمكانية مشاركة عدة معالجات تسريع الذكاء الاصطناعي لمجموعة كبيرة من الذاكرة، بدلاً من امتلاك كل معالج ذاكرة مستقلة خاصة به. وهذا لا يُحسّن كفاءة استخدام الذاكرة فحسب، بل يمنح بنية الذكاء الاصطناعي مرونة أكبر في التوسع مع استمرار نمو حجم النموذج.

صرح كيوسانغ لي قائلاً: "إن توسيع الوصلات البصرية إلى واجهات الذاكرة سيتجاوز القيود المادية المحيطة برقائق الحوسبة، مما يزيل القيود المفروضة على سعة الذاكرة وعدد الوصلات الكهربائية".

وأضاف هونغ: "تكمن الميزة الأكبر في أنه من خلال تحسين كفاءة نقل البيانات، يمكن لأنظمة الذكاء الاصطناعي أن تتوسع بمرونة أكبر. وهذا يوفر في نهاية المطاف للعملاء الأساس اللازم لتشغيل البنية التحتية للذكاء الاصطناعي بكفاءة أكبر."

من موردي HBM إلى المشاركين في هندسة النظام

حلّت تقنية HBM مشكلة عرض نطاق الذاكرة في تغليف معالجات الذكاء الاصطناعي، وهو ما شكّل ميزة تنافسية أساسية لشركة SK Hynix في السنوات الأخيرة. ويشير إصدار خارطة طريق CPO إلى أن الشركة توسّع استراتيجيتها التقنية من المكونات الفردية إلى بنية النظام ككل.

في المقابلة، أوضح هونغ هذا التحول قائلاً: "تتطور شركات الذاكرة من توفير مكونات منفردة إلى أن تصبح شركاء يساعدون في تعزيز القدرة التنافسية لأنظمة العملاء بأكملها من خلال تقنيات مثل CPO".

وأشار كيوسانغ لي أيضاً إلى أن التعاون بين الأوساط الأكاديمية والصناعية أمر لا غنى عنه في هذه العملية: "تتفوق الأوساط الأكاديمية في دفع حدود الأداء، بينما تفهم الصناعة المتطلبات العملية للتطبيق على نطاق واسع، بما في ذلك إنتاجية التصنيع والتكلفة وتبديد الحرارة وسلسلة التوريد. إن الجمع بين هذين المنظورين أمر ضروري لوضع خارطة طريق قابلة للتنفيذ."

وأقر أيضاً بأن التسويق التجاري لا يزال يواجه تحديات كبيرة: "من دمج الأجهزة الضوئية منخفضة الطاقة إلى تطوير بروتوكولات الاتساق وتحسين موثوقية النظام، لا تزال التحديات كبيرة. ويكمن الحل في تصميم أجهزة الذاكرة مع وحدات التحكم والمكونات الضوئية والتغليف كنظام متكامل."

تحذير بشأن المخاطر وإخلاء المسؤولية

ينطوي الاستثمار على مخاطر؛ لذا يُرجى توخي الحذر. لا تُعدّ هذه المقالة نصيحة استثمارية شخصية، ولا تُراعي الأهداف الاستثمارية أو الوضع المالي أو احتياجات المستخدمين الأفراد. يجب على المستخدمين دراسة مدى ملاءمة أي آراء أو وجهات نظر أو استنتاجات واردة في هذه المقالة لظروفهم الخاصة. أي قرارات استثمارية تُتخذ بناءً على هذه المعلومات هي على مسؤوليتك الشخصية.