谷歌AI超算架构最受益概念

12月7日，谷歌发布了规模最大、功能最强的AI大模型Gemini。Gemini是基于Transformer decoder构建的多模态模型，这种技术能够处理视频、音频和文本等不同内容形式的信息，能够进行更复杂的推理、理解更加细微的信息（ChatGPT只能读取和输出文字和语音）。Gemini由谷歌TPU V5e和TPU V4训练，并在训练过程中展现出工程化创新，如将4096个TPU V4每个芯片连接到一个专用的光学交换机，可以在大约10秒内动态重新配置4x4x4芯片立方体为任意的3D环形拓扑结构的超级节点。在交换机层面，谷歌使用OCS光交换，来满足可灵活配置的AI算力的需求，这主要是光子在超大型AI超算架构下具有明显的优势。光交换系统组成部件有望迎来新产业机会。

注：TPU（Tensor Processing Unit, 张量处理器），谷歌专门为加速深层神经网络运算能力而研发的一款芯片。

一、光交换的基本原理

大多数网络设备是基于电域的信号进行处理，光域的信号先转换为电域的信号，然后进行放大、再生或交换，最后重新转换为光域的信号，即“光-电-光”转换，是传输中的重大瓶颈。光交换技术是通过替换现有的进行“光-电-光”转换的网络，实现更高效的光域的信息传输。光交换的优势非常明显：

• 光域的交换成本更低，不需要大量昂贵的高速电子产品，能有效降低通信硬件成本。
• 消除“光-电-光”及相关控制的复杂性，同时可以使交换设备的体积更小、功耗更低。

光交换机制一般有：光电路交换（Optical Circuit Switching, OCS），光突发交换（Optical Burst Switching, OBS）和光分组交换（Optical Packet Switching, OPS）。

光电路交换OCS是目前最成熟的交换机制：在OCS中，网络需要为每一个连接请求建立从源端到目的地端的光路；每一条光域的链路上均需要分配一个专门的波长用于发送数据信息。OCS无需“光-电-光”的转换过程，其交换机制分为三个阶段：1）光链路建立阶段是双向的带宽申请过程，需要经过请求与应答确认两个处理过程；2）光链路保持阶段，链路始终被通信占用，不允许其他通信方共享该链路；3）光链路拆除阶段，任意通信一方首先发出断开信号，另一方收到断开信号后进行确认，链路的资源就被真正释放。光交换技术除了应用于网络架构的全光互连，未可能用在光学计算、量子计算、量子通信等领域。

二、谷歌OCS的优缺点

交换机从传统电交换机升级到OCS光交换机，其优势如下：

• OCS降低了光模块对交换芯片的依存度，即使带宽从100G升级到800G甚至直到1.6T及更高，OCS方案均可兼容，加速高阶网络的演进。
• OCS可以解决集群灵活配置、扩容、灾备、并行等需求，多波长和速率兼容。
• 改变传统的数据中心spine-leaf结构结构，直接通过MEMS光开关进行不同服务器之间的数据传输，减少通过传统电网络交换机（EPS）在数据交换时光电转换的开销。
• 芯片和光模块等器件迭代升级加速，传统架构的交换机无法兼容多个不同代际的设备，不断更新造成CAPEX高企。通过OCS交换机，长期看节省费用（目前OCS交换机价格相对较高）。

三、OCS相关产业链

谷歌OCS本质是用MEMS系统的阵列组反射实现光信号交换，取代原有光电混合交换机体系，其成本占整个TPU超算系统的5%。OCS光交换系统主要组成部件有MEMS振镜、850nm光源、摄像头模组、2D透镜阵列、环形器、波分光模块、滤波片等，受益的主要环节包括：

• MEMS振镜。22年全球市场规模约7.9亿美元，核心厂商包括DiCon Fiberoptics、Accelink 和 II-VI Incorporated等，前五大厂商占有全球约54%的份额。国内上市的企业有光迅科技，未上市的企业有亿源通、光隆科技、格致光电等。
• 光进铜退、全光网络、全光计算，需要大量特种有源光纤代替直连电缆。22年全球市场规模约21.2亿美元，国内主要企业有太辰光、博创科技。
• 波分开关WSS，全球市场规模约9.97亿美元，国内主要企业包括腾景科技、光迅科技、博创科技、天孚通信、太辰光。
• 光纤环形器，国内企业包括横店东磁、亿源通等。