Massive Computeデータセンターへの期待：光伝送技術を知る（21） 光伝送技術の新しい潮流と動向（2）（3/3 ページ）

光技術や光モジュール開発の動向をお伝えするシリーズ。今回は、データセンターの新しい動向を解説したい。

[高井厚志，EE Times Japan]

Back-End Network

　今後の“Make Money”可能なAI／ML Systemをデータセンターに取り込むには、計算ノード、メモリ、ネットワークの3つのポイントがある（もちろん電力供給や冷却も乗り越えるべき障壁である）。スケーラビリティはもちろんフレキシビリティも求められるという。運用ではアプリケーションに最適なモデルに最適な計算ノードと最適なメモリを必要なだけ最適なネットワークで接続して無駄なく実行することが理想である。これはシステム設計の挑戦課題であるが、光部品業界もこれをサポートし大きなビジネスにしなければならない。

　まず、最新のスーパーコンピュータやAI／MLはどのような構成になっているのだろうか。富岳では、2×3×2の12個のNode（チップ）を接続した“かたまり”をGroupとよび、それを24×23×24の3D Torusネットワークで接続した構成で15万8976個のチップを搭載するシステムを構築している（前出の［2］および図7）。

図7　富岳の計算機ネットワーク

　GoogleのAI、TPUv4は4×4×4（64チップ）の3次元メッシュのCube（立方体）を64個並べ、Cubeの1つの面から出る16（=4×4）ポートを16台の128×128の光回線スイッチ（Optical Circuit Switch: OCS）でCubeの対面へ配線接続するというシステム構成である^［6］（図8）。合計48台（16台×3面）の128×128のOCSが使用されている。ちなみに、TPUを64チップでCubeとした理由は1台のラックに収納できるからだからという。

図8　Google TPUv4のNode間接続^［6］

［6］Norman P. Jouppi, Industry Track of ISCA 2023's program

　数10K Nodeの次世代ではどのような構成になり、光技術はどう使用されるのだろうか。

　以前から述べているDisaggregated Systemがキーワードであると考えている。計算ノードやメモリを効率よく柔軟に運用するには、それらをプール（Pool）し必要なリソースだけ構成（Composite）するDisaggregated Systemが有効だ。Compositeをどう実現するかがハード、ソフトの両面で大きな課題であり、その実現には膨大なデータを高速大容量、低レイテンシで転送する光技術が必須である。

　図9は、NVIDIAが2020年の「GTC China」で発表したDisaggregated Systemの概念図である^［7］。これによれば、GPUを2個搭載したモジュラー基板を横方向に8スロット並べ、それを9段に重ねた2×8×9＝144個のGPU構成としている。それぞれのGPUの近傍にCPOが搭載されている。スイッチは、NVSwitchが1個搭載されたモジュラー基板が、8スロット×4段並んでいる。それぞれの基板に6個のCPOが搭載されている。このように小型集積化光モジュールを搭載したチップ数の少ないモジュラー基板を多数用いたSub-NodeとGPU間を接続するネットワークが予測される。消費電力が大きいので液浸冷却になるのかもしれない。

［7］NVIDIA GTC China 2020 Keynote

図9　NVIDIAのCPOを使用したシステムコンセプト［クリックで拡大］ 出所：NVIDIA

　メモリからのデータの転送ネットワークは必要ないのだろうか。図10はMetaが示したFront-とBack-End Networkである^［8］。太い白線がFront-End Networkで、細い白線がBack-End Networkだ。

　Front-End NetworkはLeaf/Spineネットワークで、巨大ストレージにあるビッグデータをAI／MLに近いストレージあるいはSCM（Storage Class Memory）に送り込む。そして、xPUを効率的に動作させるためにxPUにデータをたゆまなく送り込む仕組み（Data Network）とバースト的に起こるxPUの計算出力を次のステージのxPUに送り込む仕組み（Compute Network）を使用して計算する。もちろん、Back-End Networkでは、同じOpticsを使用するのが合理的である。

［8］R. Stone, DCSK, OFC 2023

図10　Back-End Network、ComputeとData Networkがある［クリックで拡大］ 出所：Meta, OFC 2023

　この新しいNetworkを実現するのに光インターコネクトが期待されている。その実用化には高速大容量、高集積・高並列、小型、低レイテンシ・低ビットエラー率、低消費電力、低コストといった課題を解決しなければならない。Ethernet Switchを想定した、従来議論されてきたCPO／NPOとは異なる、新しいIn-Box Optics（IBO）が生まれると考えている。

　Disaggregated Systemを実現するプロトコルとしてCompute Express Link（CXL）が注目され、上記のBack-End Networkはそれに準拠したものになる可能性がある。ムーアの法則の集積度を維持するSiP（System in Package）、それに搭載するチップレットのUCIe（Universal Chiplet Interface Express）、そしてメモリインタフェースのOpen Memory Interface（OMI）などにより、CXLやDisaggregated Systemが可能になると考えている。次回以降はSiPやCXLを含む関連技術と標準、そして、Massive Computeデータセンターにおける光インターコネクト（Optical Interconnect）に関して述べたい。

筆者プロフィール

高井 厚志（たかい あつし）

　30年以上にわたり、さまざまな光伝送デバイス・モジュールの研究開発などに携わる。光通信分野において、研究、設計、開発、製造、マーケティング、事業戦略に従事した他、事業部長やCTO（最高技術責任者）にも就任。多くの経験とスキルを積み重ねてきた。

　日立製作所から米Opnext（オプネクスト）に異動。さらに、Opnextと米Oclaro（オクラロ）の買収合併により、Oclaroに移る。Opnext／Oclaro時代はシリコンバレーに駐在し、エキサイティングな毎日を楽しんだ。

　さらに、その時々の日米欧中の先端企業と協働および共創で、新製品の開発や新市場の開拓を行ってきた。関連分野のさまざまな学会や標準化にも幅広く貢献。現在はコンサルタントとして活動中である。