7/03/2025，光纖在線訊，文章來源：逍遙設(shè)計自動化

現(xiàn)代計算系統(tǒng)對光電互連的需求
隨著高性能計算需求的快速增長，傳統(tǒng)電氣連接正在接近物理極限。數(shù)據(jù)中心對更快數(shù)據(jù)處理和更高帶寬的持續(xù)需求創(chuàng)造了一個嚴(yán)重的瓶頸，僅靠電氣互連已無法解決這個問題。當(dāng)我們研究從純電氣系統(tǒng)向混合光電解決方案演進(jìn)時，這個挑戰(zhàn)變得尤為明顯[1]。

      
向光電互連技術(shù)的轉(zhuǎn)變代表了數(shù)據(jù)傳輸方法的變化。傳統(tǒng)電氣連接雖然可靠，但在數(shù)據(jù)速率提高時面臨重大挑戰(zhàn)。信號衰減、功耗和熱管理在更高頻率下變得越來越成問題。光電互連提供了一個有效的解決方案，通過將電信號轉(zhuǎn)換為光子，光子可以在光波導(dǎo)中以光速傳播，而不會受到困擾電傳輸?shù)南嗤拗啤?

     
圖1：Occamy chiplet系統(tǒng)，包含2個Occamy和2個HBM芯片在TSV轉(zhuǎn)接板上，以及assembly到系統(tǒng)板上的SMD電容器，展示了現(xiàn)代純電氣HPC系統(tǒng)的復(fù)雜性，顯示了多個chiplet如何密集封裝并通過電氣路徑互連。

現(xiàn)代高性能計算模塊代表了工程復(fù)雜性的奇跡，將多個處理單元、存儲系統(tǒng)和互連網(wǎng)絡(luò)集成到緊湊的封裝中。這些系統(tǒng)必須處理大量數(shù)據(jù)，同時在日益密集的布局中保持信號完整性。純電氣方法需要復(fù)雜的封裝技術(shù)，包括硅通孔（TSV）和先進(jìn)的重分布層，以實現(xiàn)必要的連接性。
 
      
圖2：NVIDIA的Blackwell AI HPC模塊。展示了電氣HPC設(shè)計的最新技術(shù)水平，包含通過高帶寬電氣接口連接的多個reticle級芯片。

當(dāng)檢查這些系統(tǒng)的物理限制時，電氣互連的局限性變得明顯。微凸點(diǎn)焊接連接實際上不能低于35微米的最小間距，這對連接密度造成了根本性限制。隨著計算需求持續(xù)增長，這些物理約束需要轉(zhuǎn)向光學(xué)解決方案，光學(xué)方案可以提供更高的帶寬密度而不受相同的空間限制。

      
圖3：Occamy chiplet系統(tǒng)橫截面圖，顯示轉(zhuǎn)接板中的TSV、chiplet微凸點(diǎn)連接、分組到一個背面接觸的TSV，以及尚未安裝的背面焊球，揭示了電氣互連系統(tǒng)復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，突出了實現(xiàn)高密度連接所需的復(fù)雜性。

1、硅基光電子技術(shù)平臺探索
硅基光電子技術(shù)的發(fā)展代表了解決計算系統(tǒng)帶寬限制的一種新方法。GlobalFoundries的FotonixTM平臺展示了半導(dǎo)體制造如何適應(yīng)創(chuàng)建集成光學(xué)解決方案。這項技術(shù)將傳統(tǒng)CMOS工藝與專門的光子器件相結(jié)合，創(chuàng)建了一個可以在同一芯片上處理電信號和光信號的單片平臺。

      
圖4：GlobalFoundries 45SPCLO單片RF SOI CMOS硅基光電子平臺。展示了光子和電子器件在單一平臺上的全面集成，顯示了各種光學(xué)元件如何在統(tǒng)一系統(tǒng)中協(xié)同工作。

這種方法的關(guān)鍵創(chuàng)新在于不同器件的單片集成。高速微環(huán)調(diào)制器、馬赫-澤德調(diào)制器和光電探測器可以使用成熟的半導(dǎo)體工藝與傳統(tǒng)CMOS電路一起制造。這種集成消除了對單獨(dú)光學(xué)和電氣芯片的需求，降低了復(fù)雜性并提高了性能，同時保持制造可擴(kuò)展性。

2、光耦合技術(shù)理解
光互連系統(tǒng)最關(guān)鍵的方面之一是光纖和片上波導(dǎo)之間的高效光耦合。邊緣耦合技術(shù)已成為一個特別有效的解決方案，提供低插入損耗和高功率處理能力。氮化硅波導(dǎo)的發(fā)展在實現(xiàn)這些性能水平方面發(fā)揮了重要作用，為高功率光傳輸提供了強(qiáng)大的平臺。

      
圖5：單片集成自對準(zhǔn)氮化硅邊緣耦合器，具有<0.6/0.8 dB TE/TM插入損耗和>520mW高功率處理能力。展示了現(xiàn)代邊緣耦合解決方案的卓越效率，顯示了光功率如何以最小損耗在不同波長范圍內(nèi)傳輸。

光耦合所需的精度需要創(chuàng)新的制造方法。V型槽技術(shù)為被動光纖對準(zhǔn)提供了解決方案，允許單模光纖相對于片上光學(xué)器件精確定位，無需主動調(diào)整。這種被動對準(zhǔn)方法對制造可擴(kuò)展性至關(guān)重要，因為在assembly過程中消除了對復(fù)雜主動對準(zhǔn)程序的需求。

      
圖6：127微米光纖自對準(zhǔn)到邊緣耦合懸浮波導(dǎo)解決方案的SEM圖像。顯示了通過V型槽技術(shù)實現(xiàn)的精確機(jī)械對準(zhǔn)，展示了如何精確定位光纖以實現(xiàn)最佳光耦合。

光耦合所需的精度也推動了先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展。激光共焦顯微鏡技術(shù)被用來驗證V型槽邊緣耦合器的性能，確保每個器件都能滿足嚴(yán)格的光學(xué)性能要求。

     
圖7：V型槽邊緣耦合器的激光共焦顯微鏡圖像。展示了邊緣耦合器的精密光學(xué)結(jié)構(gòu)，突出了實現(xiàn)高效光耦合所需的工程精度。

3、高速性能特性分析
光互連系統(tǒng)的性能很大程度上取決于各個器件的速度和效率?，F(xiàn)代鍺光電探測器和微環(huán)調(diào)制器可以在超過65 GHz的頻率下工作，使數(shù)據(jù)傳輸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過僅用電氣連接可能實現(xiàn)的水平。這些高頻能力對滿足下一代計算系統(tǒng)的帶寬需求必不可少。

       
圖8：GlobalFoundries橫向Ge PIN帶寬在-1V時超過65GHz，微環(huán)調(diào)制器性能圖顯示消光比、插入損耗和相對光調(diào)制幅度作為帶寬的函數(shù)。展示了光學(xué)器件如何在寬頻率范圍內(nèi)保持效率，這對高速數(shù)據(jù)傳輸至為重要。

在這些高頻率下保持信號質(zhì)量的能力代表了相對于電氣替代方案的顯著優(yōu)勢。光信號不會受到限制電傳輸?shù)南嗤l率相關(guān)損耗，允許在整個工作帶寬范圍內(nèi)保持一致的性能。這個特性對需要在長時間內(nèi)可靠高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用特別重要。

4、實用光學(xué)解決方案實施
從實驗室演示到實際實施的轉(zhuǎn)變需要仔細(xì)考慮制造工藝和系統(tǒng)集成。Ayar Labs和Luminous Computing等公司已成功展示了硅基光電子技術(shù)如何應(yīng)用于創(chuàng)建工作的光通信系統(tǒng)。這些實施展示了光電互連在現(xiàn)實應(yīng)用中的實用可行性。

      
圖9：Ayar Labs 8端口，8波長/端口TeraPHY Chiplet，利用2x12 MPO連接器24光纖陣列將光邊緣耦合到光子芯片中。展示了如何通過先進(jìn)連接器系統(tǒng)有效管理多個光通道，實現(xiàn)高密度光學(xué)互連。

     
圖10：Luminous Computing 112 Gbps PAM4光發(fā)射器和接收器，使用低損耗光邊緣耦合，演示顯示了光學(xué)技術(shù)如何通過優(yōu)化耦合技術(shù)實現(xiàn)超高數(shù)據(jù)速率，同時保持信號完整性。

這些實施的成功取決于解決實際考慮因素，如光纖管理、熱穩(wěn)定性和長期可靠性。先進(jìn)的封裝解決方案，包括可拆卸光纖連接和集成熱管理，對創(chuàng)建適合在要求嚴(yán)格的計算環(huán)境中部署的強(qiáng)大光互連系統(tǒng)是必要的。

      
圖11：Ayar Labs TeraPHY在GF FotonixTM平臺上，使用Intel可插拔玻璃橋接解決方案，被動對準(zhǔn)到GlobalFoundries V型槽陣列。展示了如何通過復(fù)雜的封裝方法實現(xiàn)模塊化光學(xué)連接，實現(xiàn)靈活的系統(tǒng)配置。

5、先進(jìn)系統(tǒng)集成
光電互連技術(shù)的最終目標(biāo)是與現(xiàn)有計算架構(gòu)無縫集成，同時提供卓越性能。硅通孔技術(shù)在這種集成中發(fā)揮關(guān)鍵作用，提供補(bǔ)充光學(xué)路徑的高速電氣連接。這種混合方法利用了電氣和光學(xué)傳輸方法的優(yōu)勢。

      
圖12：GlobalFoundries FotonixTM 45SPCLO平臺中的低電容高速信號TSV，顯示了先進(jìn)的通孔技術(shù)如何在光學(xué)增強(qiáng)系統(tǒng)中實現(xiàn)高效的電氣連接，創(chuàng)建了一個綜合的互連解決方案。

高性能計算的未來將越來越依賴這些混合光電方法。通過將先進(jìn)電子線路的處理能力與光傳輸?shù)膸拑?yōu)勢相結(jié)合，這些系統(tǒng)可以滿足人工智能、科學(xué)計算和數(shù)據(jù)分析應(yīng)用日益增長的計算需求。這些技術(shù)的持續(xù)發(fā)展有望實現(xiàn)新水平的計算性能，同時保持能效和制造實用性。

參考文獻(xiàn)
[1] W. Kocon, Y. Bian, K. Giewont, and T. Letavic, "Key technologies and performance aspects for electrical and optical interconnects," in 2025 Symposium on VLSI Technology and Circuits Digest of Technical Papers, 2025