In modernen Rechenzentren, insbesondere in solchen, die mit KI-Beschleunigern arbeiten, können die für optische Verbindungen erforderlichen Transceiver-Module schnell zu einem erheblichen Stromverbraucher werden – und das in einem Ausmaß von mehreren Megawatt. Nvidia hat mit seinen neuen Silicon-Photonics-Switches aus der Spectrum-X- und Quantum-X-Serie ein vielversprechendes Konzept entwickelt, um dieses Problem anzugehen und massive Energieeinsparungen zu ermöglichen.

Was sind Silicon Photonics?

Silicon Photonics bedeutet, dass neben dem herkömmlichen Switch-ASIC auch eine Silicon Photonic Engine auf demselben Substrat integriert ist. Diese Technologie ermöglicht die Modulation von Lichtsignalen, die von externen Laserquellen ausgehen. Das Ergebnis ist ein innovatives Photonics-Paket, auch bekannt als Co-packaged Optics (CPO), das eine schlankere und energieeffizientere Datenübertragung ermöglicht.

Die Herausforderung mit Transceivern

Traditionelle Transceiver sind wahre Stromfresser – sie beanspruchen etwa 30 Watt für denselben Datenfluss, wobei 20 Watt für den digitalen Signalprozessor (DSP) und 10 Watt für den Laser aufgebracht werden müssen. Diese hohe Verbrauchsrate wird durch die Anzahl der externen Transceiver, die für die Signalübertragung erforderlich sind, weiter verstärkt.

Die Lösung: 9 Watt statt 30 Watt!

Mit der Co-packaged Silicon Photonics-Technologie kann diese Zahl auf lediglich 9 Watt pro Verbindung gesenkt werden! Die Silicon Photonic Engine benötigt nur 7 Watt, und die externe Laserquelle kommt mit 2 Watt aus. Dadurch können alle weiteren Signalverarbeitungsschritte direkt im Photonics-Paket ablaufen, was erhebliche Energieeinsparungen zur Folge hat.

Nvidia hebt hervor, dass diese neue Lösung nicht nur den Laserverbrauch um den Faktor vier senkt, sondern auch eine um 3,5-fache Energieeffizienz im Vergleich zu herkömmlichen Switches bieten kann. Darüber hinaus verbessert sich die Signalintegrität dramatisch, da die Signalübertragungsstrecke verkürzt wird – der Signalverlust sinkt von 22 dB auf nur 4 dB.

Kraftstoff für die Zukunft: Megawatt in GPUs investieren

Nvidia sieht Silicon Photonics als unerlässlich für die zukünftige Entwicklung riesiger Rechenzentren, die auch als KI-Fabriken bezeichnet werden. Mit herkömmlichen Transceivern könnte der Stromverbrauch eines Rechenzentrums mit 100.000 GPUs schnell auf 40 Megawatt ansteigen. Die Verwendung von Silicon Photonics könnte diesen Verbrauch auf nur 12 Megawatt reduzieren, was nicht nur Kosten einsparen würde, sondern auch Ressourcen für zusätzliche GPUs freigibt. CEO Jensen Huang humorvoll: „Wir sollten die gesparten Megawatt lieber in mehr GPUs investieren!”

Drei beeindruckende Switches

Auf der GTC wurden drei neue Photonics-Switches vorgestellt: der Quantum 3450-LD aus der Quantum-X-Serie für InfiniBand sowie die Spectrum-X-Modelle SN6810 und SN6800 für Ethernet. Der Quantum 3450-LD bietet eine beeindruckende Anzahl von Ports – 144 mit 800 Gbit/s oder 576 mit 200 Gbit/s, was zu einer Gesamtbandbreite von 115 Tbit/s führt. Die Spectrum-X-Produkte sind ähnlich leistungsstark und unterstützen eine Bandbreite von bis zu 409,6 Tbit/s.

Geplant ist, die Quantum-X Photonics InfiniBand-Lösungen in der zweiten Hälfte von 2025 und die Spectrum-X Photonics Ethernet-Lösungen in der zweiten Jahreshälfte 2026 auf den Markt zu bringen. Zudem plant Nvidia, die während der Entwicklung erhaltenen Patente an Dritte zu lizenzieren, was das Potenzial dieser Technologie weiter steigern könnte.

Nvidia setzt alles daran, die Effizienz von Rechenzentren auf ein neues Level zu heben und beweist damit, dass Innovationskraft und Energiesparsamkeit Hand in Hand gehen können.