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在EE World的一次独家采访中，GlobalFoundries的Anthony Yu深入探讨了数据传输技术的快速发展，特别聚焦于光电共封装和硅基光电子。随着人工智能和大型语言模型推动数据需求激增，半导体行业面临着提高数据速率同时保持可靠性的新挑战。
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Yu首先强调了过去一年行业发生的重大变化。人工智能和大型语言模型（LLMs）的兴起创造了前所未有的数据处理和传输需求。在2024年光纤通信大会（OFC）上，业内专业人士普遍感到迫切需要应对Yu所说的"即将到来的数据海啸"。
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-数据需求的激增主要由LLMs日益增加的复杂性驱动。Yu指出，像GPT-4这样的模型估计有超过1.8万亿个参数，需要海量的计算能力和数据传输能力。为了说明这一点，有预测认为到2028年，数据中心投资将以24%的复合年增长率增长。
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目前，数据中心依赖可插拔光模块连接服务器和网络交换机。这些模块通常安装在服务器刀片的面板上，在发生故障时易于更换。訪談中提到的OSFP和QSFP-DD光模块在当前数据中心配置中常见。7 f) K. p u$ b: {8 v: j
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$ @9 \. g5 R% k1 y图1：OSFP和QSFP-DD光模块。这些在当前数据中心配置中常用于高速数据传输。; i9 G' M( z5 _ j" H! @
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随着数据速率超过每通道224 Gb/秒，从面板到板上交换ASIC的长电气连接开始出现信号完整性问题。Yu解释说，行业此前在较低速度下通过将光收发器的电缆连接切换到更靠近ASIC的点来缓解这些问题。虽然这种方法有所帮助，但铜链接对于人工智能和LLM应用所需的速度来说仍然太长，无法保持信号完整性。1 u. m4 D2 m- @
/ c4 b' Y1 G1 V8 l为了解决这些限制，行业正在向光电共封装发展。这种创新方法将光引擎和交换硅集成到同一基板上，消除了信号需要穿越PCB的需求。光电共封装利用硅基光电子技术，直接在器件上移动光，进一步减少电信号必须传输的距离。0 y7 t6 @* ]: _1 x+ B4 N0 y: i
3 J# p& j2 f' v7 J4 PYu阐述了光电共封装的概念："与在面板前部有一个通过铜连接连接到ASIC的可插拔收发器不同，光电共封装将光学部分移到与ASIC相同的封装上，使信号传输的距离非常短。"
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" y2 ?" O: K6 ^0 x- w7 T这种方法在能源效率和密度方面提供了显著优势。Yu强调了推动光电共封装发展的两个关键指标：能源效率（以每比特皮焦耳计量）和密度（每平方毫米可以容纳的带宽量）。
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Yu提到了数据中心机架中的Nvidia Blackwell GPU，说明了人工智能和LLM应用所需的高密度计算能力。$ T' j: v1 P. g- z
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图2：数据中心机架中的nVidia Blackwell GPU。此图说明了人工智能和LLM应用所需的高密度计算能力。% ], r1 j( Q6 {$ ~. R
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光电共封装在可靠性和维护方面也带来了新的挑战。与可轻松更换的可插拔模块不同，光电共封装集成在ASIC封装中，使维修变得更复杂且潜在成本更高。; V! i! G9 s/ n6 _3 ?
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为了解决这个问题，Yu透露业界正在开发可拆卸连接的光电共封装。这种方法将允许机械更换到芯片的光纤连接，而不会干扰ASIC本身。Yu解释说：“要实现这一点，我们需要极高的可靠性。这正是我们所有人努力的方向。光学部分仍需要能在现场更换，而不会干扰ASIC。”
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. y" p9 e2 {. }) U1 c' mGlobalFoundries的GF Fotonix工艺在实现光电共封装方面发挥着关键作用。Yu描述了该工艺如何通过各种调制方案将电信号转换为光子。一旦转换为光子，数据就可以在芯片上移动，并通过光纤电缆长距离传输。, o0 X$ Q+ x2 n2 O
& ~, p' S3 a% M. k1 v! b+ h9 VYu详细介绍了硅基光电子中使用的各种结构，将其分为有源和无源组件。有源组件包括调制器（如马赫-曾德尔调制器和微环谐振器）和用于将光子转换回电信号的检测器。无源组件包括用于低损耗光传输的波导、用于分割信号的分光器、偏振操纵器和光束转向结构。这些组件需要精确的图案化和几何结构，以有效地在芯片内操纵光信号。' w, K7 R- r4 s. _, `
4 @9 a* L* p e. e% r7 k& l: P* i随着行业向更高集成度发展，封装技术也在不断演进。Yu指出，目前最先进的技术是2.5D异构集成，其中芯片通过细间距铜柱连接到封装上。然而，他预测在未来五到十年内，将向3D集成转变，这将在光电共封装中普遍应用。2 m. I: ?1 q% [/ Q3 f1 @
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3 y0 L' _3 `7 o. v3 M' f图3：说明光电共封装概念的图表。这显示了ASIC和光引擎如何集成在同一封装上，以提高信号完整性和性能。9 H8 @ i3 ]9 v8 Q8 ^9 H$ x4 \
/ G% {# q' a% o4 V+ }0 H/ E" g随着行业推动更高的数据速率，OFC上的讨论集中在800G、1.6T甚至6.4T配置上，硅基光电子必须适应以支持这些不断增加的带宽需求。Yu解释说，GlobalFoundries使其客户能够使用线路拓扑来支持"光学扩展"，通过粗波分复用（CWDM）和密集波分复用（DWDM）等技术实现。7 v( X. I6 d: ]# D- K) ]) g
3 U; ~" `3 G- Z- p# ]这些方法允许在单根光纤上传输多个波长，大大增加了带宽密度。Yu提到一些客户已经在实施每根光纤八个波长，这得益于他们硅基光电子工艺中的微环谐振器结构。
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% a' R% m* d# I- f- ^Anthony Yu的采访提供了对高速数据传输未来的深入洞察。随着人工智能和大型语言模型推动数据处理和传输能力的空前需求，光电共封装和硅基光电子正在成为应对这些挑战的关键技术。
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将光学组件直接集成到ASIC封装中承诺显著提高能源效率和带宽密度。然而，这也在可靠性和维护方面带来了新的挑战，业界正在通过可拆卸光连接等创新积极解决这些问题。
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參考來源' g9 n7 a" D" M# o ]$ G
[1] J. Doe, “Co-packaged optics: Higher data rates increase reliability risks,” 5G Technology World, Aug. 25, 2024. [Online]. Available: https://www.5gtechnologyworld.com/co-packaged-optics-higher-data-rates-increase-reliability-risks/. [Accessed: Aug. 26, 2024].( X9 I0 t" w6 w3 |! l: A4 {
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