Tecnología óptica para que los centros de datos ejecuten y entrenen modelos de IA a la velocidad de la luz

Que la tecnología óptica ha servido para producir avances en telecomunicaciones es evidente, pero estaba por ver su potencial en campos como el de la inteligencia artificial. Pues bien, este lunes ha sido el día elegido por el gigante norteamericano IBM para realizar un anuncio que lo podría cambiar todo en este sentido.

La compañía ha presentado un avance revolucionario en tecnología óptica que podría transformar drásticamente la forma en que los centros de datos entrenan y ejecutan modelos de IA generativa.

Los investigadores han desarrollado un nuevo proceso para la tecnología de óptica coempaquetada (CPO, por sus siglas en inglés), la próxima generación de tecnología óptica, que permite la conectividad dentro de los centros de datos a la velocidad de la luz mediante óptica, complementando los cables eléctricos de corto alcance actuales.

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Al diseñar y ensamblar la primera exitosa guía de ondas óptica polimérica (PWG) anunciada públicamente para alimentar esta tecnología, los investigadores de IBM han demostrado cómo el CPO redefinirá la transmisión de datos de alta capacidad entre chips, placas de circuitos y servidores en la industria informática.

Actualmente, la tecnología de fibra óptica transporta datos a altas velocidades a largas distancias, gestionando la mayor parte del tráfico global de comercio y comunicaciones mediante luz en lugar de electricidad.

Aunque los centros de datos utilizan fibra óptica para sus redes de comunicaciones externas, dentro de los racks los datos se comunican predominantemente a través de cables eléctricos de cobre. Estos cables conectan aceleradores GPU que pueden permanecer inactivos más de la mitad del tiempo, esperando datos de otros dispositivos en un proceso de entrenamiento distribuido, lo que genera costes y consumo de energía significativos.

Los investigadores de IBM han demostrado una forma de llevar la velocidad y capacidad de la óptica al interior de los centros de datos. En un artículo recientemente publicado en arXiv, IBM presenta un nuevo módulo prototipo de CPO que habilita la conectividad óptica de alta velocidad.

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Esta tecnología podría aumentar significativamente el ancho de banda de las comunicaciones en los centros de datos, minimizando el tiempo de inactividad de las GPUs y acelerando drásticamente el procesamiento de IA. Según lo descrito, esta innovación permitiría cinco veces menos consumo energético en comparación con interconectores eléctricos de rango medio; el entrenamiento cinco veces más rápido de un modelo de lenguaje (LLM); o un ahorro equivalente al consumo anual de energía de 5.000 hogares estadounidenses por cada modelo de IA entrenado.

"A medida que la IA generativa demanda más energía y potencia de procesamiento, los centros de datos deben evolucionar, y la óptica coempaquetada puede hacerlos a prueba de futuro", afirmó Darío Gil, vicepresidente senior y director de investigación de IBM.

"Con este avance, los chips del futuro se comunicarán de manera similar a cómo los cables de fibra óptica transportan datos hacia y desde los centros de datos, inaugurando una nueva era de comunicaciones más rápidas y sostenibles capaces de manejar las cargas de trabajo de IA del futuro", resume.

En los últimos años, los avances en la tecnología de chips han incrementado significativamente la densidad de transistores; la tecnología de chips de 2 nanómetros de IBM puede contener más de 50.000 millones de transistores.

La tecnología CPO busca escalar la densidad de interconexión entre aceleradores al permitir que los fabricantes de chips añadan rutas ópticas que conecten chips en un módulo electrónico, superando los límites de las rutas eléctricas actuales. Según el artículo de IBM, estas nuevas estructuras ópticas de alta densidad, combinadas con la transmisión de múltiples longitudes de onda por canal óptico, tienen el potencial de aumentar hasta 80 veces el ancho de banda entre chips en comparación con las conexiones eléctricas.

La innovación de IBM permitiría a los fabricantes de chips añadir seis veces más fibras ópticas en el borde de un chip de fotónica de silicio, conocido como "densidad de línea costera", en comparación con la tecnología CPO actual.

Demandas de rendimiento de la IA

Cada fibra, de aproximadamente tres veces el ancho de un cabello humano, podría abarcar desde centímetros hasta cientos de metros y transmitir terabits de datos por segundo. El equipo de IBM ensambló una guía de ondas óptica polimérica de alta densidad con canales ópticos de 50 micrómetros de separación, acoplados adiabáticamente a guías de onda de fotónica de silicio, utilizando procesos estándar de ensamblaje y empaquetado.

La tecnología CPO abre un nuevo camino para satisfacer las crecientes demandas de rendimiento de la IA, con el potencial de reemplazar las comunicaciones fuera del módulo de eléctricas a ópticas. Este avance se suma a la historia de liderazgo de IBM en innovación de semiconductores, que incluye la primera tecnología de chips de 2 nm, la primera implementación de procesos tecnológicos de 7 nm y 5 nm, transistores Nanosheet, transistores verticales (VTFET), memoria DRAM de celda única y fotoresistencias químicamente amplificadas.

Los investigadores completaron el diseño, modelado y simulación para el CPO en Albany, Nueva York, donde el Departamento de Comercio de los Estados Unidos seleccionó recientemente la ubicación para el primer Centro Nacional de Tecnología de Semiconductores (NSTC, por sus siglas en inglés).

Los prototipos fueron ensamblados y probados en la planta de IBM en Bromont, Quebec, una de las mayores instalaciones de ensamblaje y prueba de chips en América del Norte. Parte del Corredor de Semiconductores del Noreste entre Estados Unidos y Canadá, la planta de Bromont ha liderado durante décadas la industria del empaquetado de chips.