IMEC | 突破連接壁壘：高性能計(jì)算中的硅基光電子技術(shù)進(jìn)展

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
; `; w( ?* J3 L& y; x高性能計(jì)算（HPC）正在快速發(fā)展，CPU和GPU的性能大約每?jī)赡攴�一番。然而，這一進(jìn)展正面臨著一個(gè)重大挑戰(zhàn)：連接壁壘。正如imec光I/O項(xiàng)目經(jīng)理Filippo Ferraro指出的，每?jī)赡暧?jì)算能力增加三倍，而互連帶寬僅提高1.4倍。這種日益擴(kuò)大的差距意味著數(shù)據(jù)傳輸路徑，而非原始計(jì)算能力，正逐漸成為整體系統(tǒng)性能的限制因素[1]。

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圖1：imec光學(xué)I/O項(xiàng)目經(jīng)理Filippo Ferraro。

為了解決這一連接瓶頸，研究人員和科技公司正轉(zhuǎn)向硅基光電子作為潛在解決方案。imec正處于這一努力的前沿，開(kāi)發(fā)一系列硅基光電子技術(shù)以支持當(dāng)前和未來(lái)幾代HPC系統(tǒng)。

* i, l; u3 k' J  ^硅基光電子的現(xiàn)狀
imec目前的硅基光電子技術(shù)能夠支持800Gbit/s和1.6Tbit/s（800G和1.6T）可插拔光學(xué)模塊。這種性能水平足以滿足當(dāng)前系統(tǒng)的需求，預(yù)計(jì)還能支持下一代HPC。該技術(shù)利用了多種組件，包括：

高密度硅波導(dǎo)

光柵耦合器

邊緣耦合器（用于光的輸入/輸出）

鍺光電探測(cè)器

各種類型的調(diào)制器
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這些組件協(xié)同工作，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)并向這些信號(hào)添加信息，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。

8 U; T3 V, E% [: c% H3 T# O  l未來(lái)的挑戰(zhàn)和解決方案
當(dāng)前的硅基光電子技術(shù)滿足了即時(shí)需求，但imec的研究人員認(rèn)為，在下一代HPC之后可能不足以滿足需求。為了繼續(xù)突破連接的界限，研究人員正在探索不同的材料和3D集成技術(shù)。
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$ e$ C. G7 p6 J1 Q5 v7 }混合硅基光電子
通過(guò)混合硅基光電子，imec研究人員認(rèn)為可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)3.2T的可插拔光學(xué)模塊。通過(guò)先進(jìn)的異質(zhì)結(jié)合技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的改進(jìn)。然而，要實(shí)現(xiàn)下一代可插拔光學(xué)收發(fā)器，需要兩個(gè)關(guān)鍵的進(jìn)展：

將通道速率從100或200 Gbits/s提高到400 Gbits/s

將能耗從20 pJ/bit降低到10 pJ/bit
3 M) y3 ~  |8 L6 u) k/ \[/ol]
鈮酸鋰調(diào)制器
實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的一個(gè)有望的途徑是使用鈮酸鋰調(diào)制器。imec光學(xué)I/O項(xiàng)目總監(jiān)Joris Van Campenhout解釋說(shuō)，基于硅的調(diào)制器無(wú)法在可接受的光損耗下擴(kuò)展到所需的帶寬。相反，鈮酸鋰調(diào)制器已經(jīng)展示了遠(yuǎn)超100 GHz的調(diào)制帶寬，這對(duì)支持高達(dá)400 Gbits/s的通道速率是必要的。

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圖2：imec光學(xué)I/O項(xiàng)目總監(jiān)Joris Van Campenhout。

2 c% u! N+ {: \9 Z% T6 B7 U鈮酸鋰面臨的挑戰(zhàn)在于將其與硅基光電子晶圓集成。作為CMOS制造中的高污染材料，必須特別注意盡可能晚地在制造過(guò)程中添加。imec的研究人員正在探索微轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)(MTP)，這是在根特大學(xué)開(kāi)發(fā)的一種技術(shù)，作為潛在的解決方案。允許在晶圓上單獨(dú)準(zhǔn)備鈮酸鋰模塊器件，然后以可擴(kuò)展、快速和可靠的方式轉(zhuǎn)移到硅基光電子晶圓上。
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) e. v3 J. l  f8 I0 d; @9 {光電共封裝：范式轉(zhuǎn)變
雖然可插拔光學(xué)在業(yè)界已經(jīng)獲得了牽引力，但在從主機(jī)IC到光學(xué)模塊運(yùn)行的通道數(shù)量方面面臨限制。此外，長(zhǎng)距離運(yùn)行的電氣通道會(huì)遭受損耗和干擾，影響信號(hào)質(zhì)量并增加能耗。
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' D6 W+ ^: I- _) e$ e& e- a; Y* E為了解決這些問(wèn)題，研究人員正在探索光電共封裝作為替代方法。這種方法涉及在制造階段將光學(xué)模塊放置在主機(jī)IC或XPU旁邊。雖然這種方法降低了靈活性，但提供了幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：

顯著減少電氣走線長(zhǎng)度（從厘米級(jí)到毫米級(jí)甚至微米級(jí)）

降低RF損耗和功耗

由于RF損耗降低，能夠添加更多通道

更高的互連密度

支持波長(zhǎng)分復(fù)用，減少所需光纖量

1 c7 s7 e9 U! \* O光電共封裝需要先進(jìn)的3D封裝技術(shù)，這是imec已經(jīng)在電子組件領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的專業(yè)知識(shí)。
+ E  U. i. n8 g+ I: v5 D8 e

6 n0 \3 x0 F' u圖3：imec 的晶圓級(jí)CPO

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( t2 g5 o! m/ `2 z( `圖4：imec 的interposer以及晶圓級(jí)光互連

未來(lái)的道路
與整個(gè)半導(dǎo)體市場(chǎng)相比，硅基光電子市場(chǎng)仍然相對(duì)較小，但正在增長(zhǎng)。主要晶圓廠最近的公告引發(fā)了對(duì)快速擴(kuò)展光連接的興趣和需求增加。

+ A! A. b9 D/ V* Yimec計(jì)劃繼續(xù)專注于技術(shù)開(kāi)發(fā)，以擴(kuò)展可插拔和光電共封裝光學(xué)。其努力分為兩個(gè)方面：

通過(guò)在遠(yuǎn)后端添加新材料來(lái)延長(zhǎng)現(xiàn)有硅基光電子平臺(tái)的壽命，以實(shí)現(xiàn)更高的通道速率

利用為電子開(kāi)發(fā)的先進(jìn)3D封裝技術(shù)，深度集成光電共封裝
[/ol]
9 C% `2 F- w: ^& D  @這些并行的活動(dòng)流預(yù)計(jì)將在未來(lái)幾年及以后滿足行業(yè)的需求，幫助突破連接壁壘，實(shí)現(xiàn)下一代高性能計(jì)算系統(tǒng)。

參考來(lái)源
' E4 W/ [: w3 e5 y$ F" N% C[1] P. Brans, "Imec: Breaking Connectivity Wall with Silicon Photonics and More," EE Times Europe, Sep. 6, 2024. [Online]. Available: https://www.eetimes.eu/imec-breaking-connectivity-wall-with-silicon-photonics-and-more/ [Accessed: Oct. 7, 2024].

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