من شرائح الذكاء الاصطناعي إلى المعركة النهائية لتحديد موقع CPO: مواجهة حاسمة بين NVIDIA وBroadcom على خارطة الطريق التكنولوجية

في عصر الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي، تتضاعف حركة البيانات العالمية بشكل كبير. وتنتقل خوادم ومفاتيح مراكز البيانات بسرعة من سرعات 200 و400 جيجابت في الثانية إلى سرعات 800 و1.6 تيرابايت، وربما حتى 3.2 تيرابايت.

تتوقع شركة أبحاث السوق TrendForce أن تصل الشحنات العالمية من وحدات الإرسال والاستقبال الضوئية التي تتجاوز 400 جيجابت إلى 6.4 مليون وحدة في عام 2023، ونحو 20.4 مليون وحدة في عام 2024، وأن تتجاوز 31.9 مليون وحدة بحلول عام 2025، مما يعكس نموًا سنويًا بنسبة 56.5%. ويواصل الطلب على خوادم الذكاء الاصطناعي دعم التوسع في وحدات 800 جيجابت و1.6 تيرابايت، بينما تدفع ترقيات الخوادم التقليدية 400G جهاز الإرسال والاستقبال البصري المتطلبات.

تشير دراسات استقصائية أخرى إلى أن الطلب على وحدات بصرية بسعة 1.6 تيرابايت في عام 2026 سيتجاوز التوقعات بشكل كبير، حيث من المتوقع أن يصل إجمالي الشحنات إلى 11 مليون وحدة. وتشمل العوامل الرئيسية مشتريات قوية من NVIDIA وGoogle، بالإضافة إلى مساهمات من Meta وMicrosoft وAWS.

بفضل نطاق ترددها العالي وقدرتها المنخفضة على الفقدان وإمكاناتها طويلة المدى، تُصبح الاتصالات الضوئية الحل الأمثل للربط بين الرفوف وبينها، مما يجعل وحدات الإرسال والاستقبال الضوئية مكونات أساسية في اتصال مراكز البيانات. تُؤكد TrendForce أن نقل بيانات خوادم الذكاء الاصطناعي في المستقبل سيتطلب كميات هائلة من وحدات الإرسال والاستقبال الضوئية عالية السرعة. تُحوّل هذه الوحدات الإشارات الكهربائية إلى إشارات ضوئية لنقل الألياف، ثم تُعيد تحويل الإشارات الضوئية المُستقبَلة إلى إشارات كهربائية.

01 ما هي العلاقة بين وحدات الإرسال والاستقبال الضوئية، والاتصالات الضوئية، والفوتونيات السيليكونية؟

استنادًا إلى الرسمين التخطيطيين الأوليين في الشكل الأصلي، تحقق أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية القابلة للتوصيل الحالية في السوق سرعات تصل إلى 800غتتضمن المرحلة التالية المحركات البصرية (المحرك البصري، OE) المثبتة حول حزم شرائح ASIC، والمعروفة باسم On-Board Optics (OBO)، والتي تدعم النقل حتى 1.6T.

تهدف الصناعة إلى التقدم نحو البصريات المُغلّفة (CPO)، حيث تُغلّف المكونات البصرية مع الدوائر المتكاملة المُعدّلة (ASICs). تُتيح هذه التقنية سرعات تتجاوز 3.2 تيرا بايت، وتصل إلى 12.8 تيرا بايت. الهدف النهائي هو "الإدخال/الإخراج البصري"، أي تحقيق قدرات بصرية كاملة تُشبه الشبكات بسرعات نقل تتجاوز 12.8 تيرا بايت.

يكشف الفحص الدقيق للشكل أن وحدة الاتصال الضوئي (التي كانت قابلة للتوصيل سابقًا، وتظهر ككتلة صفراء) أصبحت أقرب بشكل متزايد إلى الدائرة المتكاملة المخصصة للتطبيقات (ASIC). يُقصّر هذا القرب مسارات الإشارة الكهربائية، مما يتيح نطاقًا تردديًا أعلى. تُدمج تقنية معالجة فوتونيات السيليكون المكونات الضوئية مباشرةً على الرقاقات.

02 نمو هائل في الطلب على الاتصالات البصرية: تركز الصناعة على ثلاثة امتدادات لهندسة الخادم

أدى ازدهار تطبيقات الذكاء الاصطناعي إلى زيادة هائلة في الطلب على الاتصالات الضوئية عالية السرعة. تُركز الخوادم بشكل رئيسي على التوسع الرأسي (Scal-Up) والتوسع الأفقي (Scal-Out)، حيث يُعالج كلٌّ منهما احتياجات نقل وتحديات تقنية مُحددة. وقد طرحت NVIDIA مؤخرًا مفهوم "التوسع عبر النطاق"، مُضيفةً بُعدًا جديدًا لاعتبارات الصناعة.

توسيع النطاق

يركز التوسع على التوصيلات عالية السرعة داخل الرفوف (القسم الأصفر في الشكل)، بمسافات نقل تقل عادةً عن 10 أمتار. وتفضل متطلبات زمن الوصول المنخفض للغاية استخدام "التوصيلات النحاسية" لتجنب التأخير واستهلاك الطاقة الناتج عن التحويلات الضوئية-الكهربائية. تشمل الحلول الحالية تقنية NVLink من NVIDIA (بنية خاصة) وتقنية UALink مفتوحة المصدر التي تقودها AMD وشركات أخرى.

من الجدير بالذكر أن NVIDIA أطلقت تقنية NVLink Fusion هذا العام، مما أتاح تقنية NVLink لموردي الرقائق الخارجيين لأول مرة. ويمتد هذا من عقد الخادم الفردي إلى هياكل الرفوف، ربما استجابةً لمنافسة UALink.

تُدخل شركة Broadcom، التي تُركز عادةً على التوسع الخارجي، سوق التوسعة عبر الإيثرنت. وقد طرحت الشركة مؤخرًا شرائح متعددة متوافقة مع معايير إيثرنت التوسعة (SUE). يُمهّد هذا التطور الطريق لمنافسة مستقبلية بين NVIDIA وBroadcom، والتي سنناقشها لاحقًا.

خارج نطاق

يُمكّن التوسع الخارجي (Scal-Out) الحوسبة المتوازية واسعة النطاق عبر الخوادم (القسم الأزرق في الشكل)، مما يُلبي احتياجات البيانات عالية الإنتاجية وقابلية التوسع غير المحدودة. يهيمن الاتصال البصري هنا، حيث تُشكّل تقنيات الربط الرئيسية، بما في ذلك InfiniBand وEthernet، محركًا رئيسيًا لسوق الوحدات البصرية.

يشكل InfiniBand وEthernet معسكرين رئيسيين: الأول يفضله NVIDIA وMicrosoft، والثاني تفضله Broadcom وGoogle وAWS.

تنبع ريادة InfiniBand من شركة Mellanox، التي استحوذت عليها NVIDIA عام 2019 كمزود متكامل لتقنيات Ethernet وInfiniBand. وقد أصدرت الصين مؤخرًا حكمًا يقضي بانتهاك NVIDIA لقوانين مكافحة الاحتكار في هذا الاستحواذ. تقدم NVIDIA العديد من منتجات InfiniBand، بالإضافة إلى حلول Ethernet مثل NVIDIA Spectrum-X، مستحوذةً بذلك على كلا السوقين.

في يوليو 2023، شكل المعسكر المعارض - Intel و AMD و Broadcom وغيرها - اتحاد Ultra Ethernet (UEC) لتطوير مجموعات نقل Ethernet المحسنة، مما يشكل تحديًا لـ InfiniBand.

يقول المحلل تشو يو تشاو من شركة TrendForce أن سوق وحدات الاتصالات البصرية الذي تدعمه تقنية Scale-Out يمثل ساحة المعركة الأساسية لنقل البيانات في المستقبل.

مقياس عبر

كحلٍّ ناشئ، اقترحت NVIDIA تقنية "التوسع عبر النطاق" للاتصالات بين مراكز البيانات لمسافات طويلة تتجاوز عدة كيلومترات. وأطلقت أيضًا تقنية Spectrum-XGS Ethernet، القائمة على تقنية Ethernet، لربط مراكز بيانات متعددة.

يُمثل Spectrum-XGS ركيزةً ثالثةً تتجاوز التوسع والتوسع الخارجي في حوسبة الذكاء الاصطناعي. فهو يُوسّع أداء Spectrum-X Ethernet ونطاقه، ويربط مراكز البيانات الموزعة، ويُبثّ مجموعات البيانات الضخمة إلى نماذج الذكاء الاصطناعي، ويُنسّق الاتصالات بين وحدات معالجة الرسومات (GPU) داخل المراكز.

يمزج هذا الحل بين Scale-Out والتمديد عبر النطاقات، وضبط موازنة التحميل والخوارزميات بشكل مرن استنادًا إلى المسافة - بما يتماشى مع Scale-Across.

صرح جينسن هوانج، مؤسس شركة NVIDIA والرئيس التنفيذي لها، قائلاً: "بناءً على قدرات التوسع والتوسع الخارجي، فإننا نضيف Scale-Across لربط مراكز البيانات عبر المدن والدول والقارات، مما يؤدي إلى إنشاء مصانع ذكاء اصطناعي عملاقة."

تُظهر اتجاهات الصناعة أن التوسع والتوسع الخارجي مجالان متنافسان، حيث تتنافس NVIDIA وBroadcom على حصة السوق. يستهدف نظام Scale-Across من NVIDIA نقل البيانات بين مراكز البيانات لمسافات تتراوح بين عدة كيلومترات وآلاف الكيلومترات. تقدم Broadcom حلولاً مماثلة.

03 نقل شريحة الذكاء الاصطناعي إلى حرب تحديد موقع CPO: على ماذا تتنافس NVIDIA وBroadcom بالضبط؟

إن فهم الاتصالات البصرية وتوسعات مراكز البيانات الثلاثة يوضح أن السوق لا يراقب فقط شركة AMD، بل يراقب أيضًا المنافسة بين شركة NVIDIA، الشركة الرائدة في مجال شرائح الذكاء الاصطناعي، وشركة Broadcom العملاقة في مجال شرائح الاتصالات.

تتجاوز المنافسة في صناعة الذكاء الاصطناعي الآن الرقائق لتشمل الحلول على مستوى النظام.

أول تقاطع بين برودكوم وإنفيديا هو "رقائق الذكاء الاصطناعي المخصصة" (ASICs). نظرًا لارتفاع تكلفة وحدات معالجة الرسومات من إنفيديا، يطور مزودو خدمات السحابة (CSPs) مثل جوجل وميتا وأمازون ومايكروسوفت رقائق الذكاء الاصطناعي داخليًا، ويتعاونون بشكل رئيسي مع برودكوم للحصول على خبرة ASIC.

رقائق CSP الرئيسية المطورة ذاتيًا

CSP	جوجل	AWS	مييتااا	مایکروسوفت
المنتج	TPU v6 تريليوم	Trainium v2 、 Trainium v3	MTIA 、 MTIA v2	مايا 、 مايا الإصدار 2
شريك التعبئة والتغليف المشترك	Broadcom و United Developers (TPU v7e)	Marvell (Trainium v2) و ChipCore-KY (Trainium v3)	بروأدكم	Creative Intent (Maia v2) وMarvell (Maia v2 Advanced Edition)

أما التقاطع الثاني الأكثر أهمية فهو "تكنولوجيا الاتصال بالشبكة".

في Scale-Up، المحمية بواسطة NVLink وCUDA، تطلق Broadcom شريحة تبديل الشبكة Tomahawk Ultra هذا العام لدخول السوق وتحدي هيمنة NVLink.

يُعد Tomahawk Ultra جزءًا من مبادرة Ethernet المتوسعة (SUE) من Broadcom، وهو بديل لـ NVSwitch. يربط هذا الجهاز أربعة أضعاف عدد الشرائح التي يربطها NVLink Switch، المصنوع بتقنية 5 نانومتر من TSMC.

تشارك شركة Broadcom في اتحاد UALink ولكنها تروج لتقنية SUE المستندة إلى Ethernet، مما يثير تساؤلات حول ديناميكيات المنافسة والتعاون مع UALink ضد NVLink.

لمواجهة برودكوم، أطلقت إنفيديا تقنية NVFusion، فاتحةً بذلك آفاق التعاون مع شركاء مثل ميديا ​​تيك ومارفيل وأستيرا لابز لتطوير شرائح ذكاء اصطناعي مخصصة عبر منظومة NVLink. يُعزز هذا النهج شبه المفتوح المنظومة مع توفير إمكانية التخصيص.

في Scale-Out، تهيمن شركة Broadcom، المتخصصة في مجال Ethernet، على السوق من خلال منتجات مثل Tomahawk 6 وJericho4، والتي تستهدف Scale-Out والمسافات الأطول.

تستخدم NVIDIA مفاتيح Quantum InfiniBand ومنصات Spectrum Ethernet لتوفير تغطية أوسع للتوسع الخارجي. على الرغم من أن InfiniBand مفتوح المصدر، إلا أن منظومته تخضع بشكل كبير لسيطرة استحواذ NVIDIA على Mellanox، مما يحد من مرونة العملاء.

وفقًا لصورة Broadcom، تمتد المنتجات الثلاثة عبر بنيتين إضافيتين للخادم.

بالنسبة لتقنية Scale-Across ذات المسافات الأطول، لا تزال القيادة غير مؤكدة، لكن NVIDIA تتصدر مع Spectrum-XGS. يستخدم هذا النظام خوارزميات شبكة جديدة لنقل البيانات لمسافات طويلة بكفاءة، مكملًا بذلك التوسع والتوسع الخارجي.

يتوافق نظام Jericho4 من Broadcom مع تقنية Scale-Across، حيث يتعامل مع اتصالات بين المواقع لمسافة تزيد عن 100 كيلومتر مع نقل بيانات RoCE دون فقدان للبيانات، أي أربعة أضعاف سعة الجيل السابق. أما سلسلة Tomahawk فتتعامل مع اتصالات بين مراكز البيانات بمدى يقل عن كيلومتر واحد (حوالي 0.6 ميل).

هندسة التوسعة	NVIDIA	بروأدكم	AMD
توسيع النطاق	حل العوائق: NVLink (هندسة مغلقة) و NVFusion (شبه مغلقة)	UALink (هندسة مفتوحة) و SUE	UALink (هندسة مفتوحة)
	مخطط الحل: منصة NVLink، منصة NVSwitch، مخطط حل NVFusion	Tomahawk Ultra 、 Tomahawk 6 (TH6)	Infinity Fabric (مدمج بالفعل في UALink)
خارج نطاق	حل العوائق: عقبة InfiniBand، منتجات Ethernet الحالية	UEC (عائق إيثرنت)	UEC
	مخطط الحل: منصة Quantum InfiniBand، Spectrum-X/ Spectrum Z، منصة تبديل الشبكات	توماهوك 6، جيريكو 4
مقياس عبر	مخطط الحل: Spectrum-XGS	أريحا4

04 حلول CPO من NVIDIA وBroadcom؟

مع اشتداد المنافسة على شبكات نقل البيانات، ستتصاعد المنافسة على الشبكات الضوئية. تسعى شركتا NVIDIA وBroadcom إلى ابتكارات في مجال الاتصالات الضوئية، بينما تعمل شركتا TSMC وGlobalFoundries على تطوير عمليات ذات صلة.

تنظر استراتيجية NVIDIA إلى الترابطات الضوئية كجزء من نظام SoC، وليس كوحدات إضافية. في مؤتمر GTC لهذا العام، كشفت الشركة عن مفاتيح Quantum-X Photonics InfiniBand (المقرر إطلاقها نهاية العام) ومفاتيح Spectrum-X Photonics Ethernet (المقرر إطلاقها في عام 2026).

تستخدم كلتا المنصتين رقائق COUPE من شركة TSMC مع تقنية SoIC-X، والتي تدمج الدوائر المتكاملة الفوتونية (PIC) والإلكترونية (EIC) بتقنية 65 نانومتر. هذا يُعزز تكامل المنصتين لتحقيق الكفاءة وقابلية التوسع.

تُركز شركة برودكوم على حلول سلسلة التوريد الشاملة والقابلة للتطوير لعملائها من الجهات الخارجية. وينبع نجاحها في مجال تكامل أشباه الموصلات والبصريات من خبرتها العميقة في هذا المجال.

أطلقت شركة برودكوم الجيل الثالث من شرائح CPO بسعة 200 جيجابت/مسار. وتستخدم هذه الشريحة تقنية تكديس الرقائق ثلاثية الأبعاد: رقاقات PIC بدقة 65 نانومتر ورقاقات EIC بدقة 7 نانومتر.

كما هو موضح في الشكل، تتكون وحدات الإرسال والاستقبال الضوئية من مكونات رئيسية: ثنائيات ليزر (مصادر ضوء)، ومُعدِّلات (تحويل من كهربائي إلى بصري)، وكواشف ضوئية. تُحدد المُعدِّلات سرعة كل مسار.

المكونات الداخلية لوحدات المحرك الفوتوني

اسم مكون	الوظيفة
كاشف ضوئي (PD، كاشف ضوئي)	يستقبل الإشارات الضوئية.
الدليل الموجي (الدليل الموجي)	يوفر مسارات لانتشار الضوء.
المُعدِّل البصري (المُعدِّل البصري)	في ظل ظروف إدخال الإشارة الكهربائية، يتم تحويل الإشارات الكهربائية إلى إشارات بصرية.
مضخم المعاوقة الانتقالية (TIA)	يقوم بتضخيم إشارات التيار ويحولها في نفس الوقت إلى جهد.
دائرة السائق (دائرة السائق)	يوفر الإشارات الكهربائية المطلوبة للمُعدِّل البصري.
التبديل (التبديل)	يتولى توجيه الإشارات الكهربائية وتبديلها ويحدد المسار الذي سيتم الإخراج منه.

اختارت شركة NVIDIA وحدات التعديل الحلقية الدقيقة (MRM) - وهي وحدات صغيرة الحجم ولكنها حساسة للأخطاء ودرجة الحرارة، مما يشكل تحديات في التكامل.

تستخدم شركة Broadcom أجهزة تعديل Mach-Zehnder (MZM) الناضجة أثناء تطوير MRM، وتحقيق تجارب عملية 3 نانومتر وقيادة CPO عبر تكديس الرقائق.

في ظل توسع استدلالات الذكاء الاصطناعي، يتحول التركيز من "سباق قوة الحوسبة" إلى "سرعة نقل البيانات". وسيُحدد نجاح تركيز برودكوم على الشبكات/المفاتيح، أو حلول إنفيديا الشاملة، في تجاوز حواجز الكفاءة وزمن الوصول، هويةَ قائد المنافسة القادم في مجال الذكاء الاصطناعي.