Comunicações ópticas para o avanço da Inteligência Artificial

Por Flávio Marques *

Como a Inteligência Artificial (IA daqui em diante), os Data Centers e as comunicações ópticas se relacionam? As características e vantagens das fibras ópticas interferem ou auxiliam de que maneira na geração de textos, imagens e as múltiplas aplicações da IA generativa? A grandeza energia também deve ser levada em conta quando tentamos relacionar as demais.

A IA acontece dentro de alguns dos milhares de Data Centers espalhados pelo mundo. O resultado aparece na palma de nossas mãos, na tela do laptop ou ainda na própria TV. E quando falamos neles, necessariamente temos que falar de energia.

O consumo de energia, no entanto, é a maior preocupação na operação dos Data Centers. Um estudo da IEA afirma que até 1,5% do consumo de energia global está associado a eles. Diversas maneiras de aumentar a eficiência e viabilizar técnica e financeiramente as operações vem sendo consideradas e implementadas mundialmente.

Como e onde reduzir o consumo de energia nos sistemas de IA

A tecnologia de processadores atual ainda usa eletricidade para sua operação. Os esforços para miniaturização e incremento de capacidade estão em níveis quase inimagináveis anos atrás, mas é inerente ao meio metálico que uma boa parte da energia consumida seja convertida em calor para que outra porção seja usada de maneira útil. Até que se desenvolvam em escala os chips fotônicos ou os quânticos, seguiremos otimizando, miniaturizando e especializando os chips de semicondutores.

Aqui as comunicações ópticas tem desempenhado um papel fundamental para o crescimento da infraestrutura para IA e o controle do consumo de energia. Uma vez que o meio óptico tem a vantagem de consumir menos energia, os esforços estão sendo direcionados na substituição dos condutores elétricos e a máxima aproximação possível dos processadores.

A tecnologia SiPho (Silicon-Photonics, uso híbrido de Silício e componentes fotônicos) como PIC  e CPO  é um passo nesse sentido. Usados nos transceivers e processadores, tem reduzido o uso de vias de cobre, integrado os componentes ópticos diretamente nos substratos de silício, simplificado a construção e minimizado perdas.

Um exemplo é a iniciativa LPO-MSA  que propõe a eliminação do processamento digital de sinais dos transceivers, compensando essa função diretamente nos componentes ópticos montados com os demais.

Seguindo a aproximação do meio óptico ao centro dos equipamentos duas formas podem ser exemplificadas. A primeira delas é a extensão do uso de CPO nos processadores centrais para fazer a conexão direta das fibras, eliminando os transceivers e demais componentes de conversão e processamento. A geração de ASICs para switches Ethernet de 51,2Tb/s é a que mais possui alternativas com conexão óptica direta, devendo ser ainda mais comum na próxima geração de 102,4Tb/s.

Os switches baseados nesses processadores são as fundações para as conexões ópticas das redes de IA com portas que variam de 400Gb/s até futuros 3,2Tb/s. Esse formato substitui as trilhas metálicas, processadores de sinais, transceiver e suas perdas de energia por apenas um acoplador óptico e uma fita de fibras até o processador central do equipamento.

A segunda opção é o uso de guias de ondas ópticas nas placas de componentes em lugar das trilhas de cobre. O desenho e montagem de uma placa como essa considera componentes baseados na tecnologia SiPho, onde todas as entradas e saídas são ópticas. Essa tecnologia vem sendo discutida em um grupo do Advanced Photonics Coalition , organização que promove a opticalização dos componentes de sistemas de comunicação.

A indústria vem sendo desafiada não somente na produção desses componentes híbridos silício-fotônicos, mas também nas conexões ópticas de suas interfaces. Diversos dispositivos de alinhamento, reflexão e controle de feixes vem sendo desenvolvidos e adaptados a esse uso, considerando a confiabilidade, facilidade e performance necessárias nos níveis micrométricos onde são colocados.

Nos sistemas de transmissão, o consumo vem decrescendo de 15pJ/bit  para próximo de 10pJ/bit. O valor comumente citado pela indústria como objetivo é 5pJ/bit, mas alguns fabricantes preveem 3pJ/bit.

A economia de energia proporcionada pela aproximação do meio óptico ao centro dos equipamentos não só é benéfica como necessária. A escala de crescimento de IA requer revisão do impacto energético e busca por economia constantemente. Grandes operadores de IA vem usando a eficiência energética (pJ/bit) como referência para aquisição de sistemas de transmissão ópticos, uma vez que os volumes são muito grandes e qualquer diferença pode impactar em kW de consumo por rack.

Lasers continuam a consumir boa parte da energia para transmissão, mas ajustam sua potência de acordo com a atenuação do meio, assim os sistemas de cabeamento de baixas perdas contribuem decisivamente para o equilíbrio de consumo de energia.

Para redução de consumo, os transceivers podem reduzir o uso de DSPs  e retimers  e usar mais fibras paralelas, aumentando a necessidade de infraestruturas com mais densidade e flexibilidade de topologias.

Novas fibras ópticas em adoção ou desenvolvimento devem contribuir para redução do consumo de energia de alguma maneira e os projetos para IA precisam considerá-las como alternativas para alcançar esse objetivo. Entre elas temos as fibras Multicore , que aumentam a densidade das instalações e as fibras Hollow-core , que reduzem a latência e permitem melhor localização dos Data Centers em relação a fontes de energia menos custosas.

* Flávio Marques, Corporate Marketing Manager, Broadband and Enterprise division na Furukawa Electric LatAm