高性能计算光电子技术的反向设计

逍遥设计自动化

引言
随着数据中心流量的持续增加，开发新的数据传输系统以优化芯片间和片上通信变得越来越重要。虽然处理速度随着技术进步而提高，但电气互连的延迟并没有相应地降低，导致了"互连瓶颈"，信息传输时间成为主要的限制因素。光学互连在提高带宽和降低芯片级延迟及功耗方面显示出潜力。然而，实现实用的芯片级光电系统仍然面临挑战。
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9 u% s5 D- l* k; t! m# E本文将探讨反向设计技术如何帮助克服高性能计算互连光电子器件设计中的关键挑战。我们将涵盖动机、方法制定和反向设计光电子组件的实际例子。
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- X5 I; M) g" b% I6 }系统级动机
5 ?1 g, {3 E  y7 R& H( P, Q. N为了理解改进大型计算系统中短程互连的潜在好处，我们可以估算对系统级性能指标（如能量延迟积，EDP）的影响。图1显示了在不同处理器-内存架构上训练长短期记忆（LSTM）语言模型时的时间和能量消耗分析。
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图1：显示了在2D和2.5D处理器-内存架构上训练LSTM模型时时间和能量消耗的细分。约90%的时间用于内存访问，而65%的能量被处理器空闲时间消耗。
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对于2D和2.5D架构，约90%的时间用于访问内存，而65%的能量被处理器等待内存访问结果的空闲时间消耗。这突显了提高内存访问延迟、带宽和能源效率的重要性。
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; D8 j0 b* z9 U+ P, m光学互连可能解决这个瓶颈问题。为了估算效益，我们可以建模一个系统，其中处理器到内存的通信通过光学互连进行，而其他内存访问组件使用标准电子设备。图2显示了不同光学互连延迟和能量的估计EDP效益。

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# O% Y$ ?9 w) U/ ]; s5 x! Y图2：显示了2D和2.5D架构中，内存访问的估计EDP效益作为光学互连延迟的函数，对应不同的互连能量。
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5 y. Z! P  l: q1 |3 c+ z$ F对于延迟低于2 ns和能量低于1 pJ/bit的互连，我们看到内存访问事件的EDP改善接近2倍。这些目标可能通过改进的光电子组件与电子设备集成来实现。

4 x; }) l$ @$ j) G  E7 `反向设计方法
过渡到芯片级光学互连需要紧凑、低损耗、对制造误差稳健且兼容大规模生产的器件。传统光电子设计通常依赖于半解析设计的参数扫描，限制了设计空间。反向设计使用物理引导优化来探索给定占用面积的全参数空间。
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反向设计方法将光电子器件设计表述为优化问题：
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/ [- V9 a' F+ n  m$ D其中fobj是捕捉优化目标的目标函数，E是电场，ε是表示器件结构的介电常数分布，ω是频率，J是输入源，C是可制造的介电常数分布集合。
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目标函数相对于ε的梯度可以使用伴随方法高效计算：
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这允许使用每次迭代只需两次电磁模拟的大量自由度进行优化。
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7 t$ D; V' S" E; k- \实用反向设计光电子器件
光栅耦合器：
反向设计已用于创建宽带、多功能和高效率的光栅耦合器。图3显示了具有各种功能的反向设计光栅耦合器的例子。

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( _2 i2 S& ?* M! K- O: h! e9 W图3：显示了反向设计的光栅耦合器，包括（a）不同带宽的宽带耦合器，（b）波长解复用耦合器，和（c）效率99%的倾斜蚀刻耦合器。
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分路器/复用器：
8 j: f1 q! ]" {# `# x9 K  u  X反向设计的分路器和复用器器件比传统设计实现了10倍小的占用面积和增加的稳健性。图4展示了在商业代工厂制造的反向设计波长解复用器。
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& E3 M, p& z- M3 o图4：显示了反向设计的波长解复用器，包括（a）问题表述，（b）器件设计，（c）制造的器件图像，（d）模拟性能，和（e）测量性能。
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慢光波导：
反向设计可应用于色散工程，创建高效的慢光波导，可能实现更节能的调制器。图5显示了反向设计慢光光子晶体波导的例子。

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图5：展示了色散工程的反向设计，显示（a）初始器件，（b）初始色散，（c）最终反向设计器件，（d-e）电场分量，和（f-g）最终色散和群折射率。
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) {0 D% {  L4 _' o展望和未来方向
虽然反向设计在实现实用芯片级光学互连方面显示出潜力，但仍有几个关键研究方向：

与电子设备集成：演示反向设计光电子器件与用于信息处理和控制线路的电子设备的集成。

有源器件设计：将反向设计技术扩展到具有挑战性的有源器件，如调制器，可能利用慢光波导提高效率。

仿真效率：改进3D仿真能力，使得在不需要过高计算时间的情况下能够反向设计更大的有源器件。

非线性和时域优化：纳入非线性效应和时域方法，扩大可以反向设计的器件范围。

数据驱动加速：利用机器学习模型加速反向设计过程中的电磁仿真。
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通过解决这些挑战，反向设计可能为大规模计算系统解锁显著的系统级性能改进。该方法已证明能够生产紧凑、宽带和多功能的无源光电子器件，并与代工厂制造兼容，使其成为实现高效和紧凑低延迟光学链路的有希望的工具。

" u: G( T% n4 Z" L" B9 J9 ~总之，反向设计为克服高性能计算互连中传统光电子器件的关键限制提供了强大的方法。通过实现稳健、紧凑和高效的光电子组件的创建，可能在解决互连瓶颈和改善整体系统性能方面发挥关键作用。随着研究在有源器件设计和与电子设备集成等领域的进展，反向设计光电子技术可能成为下一代计算系统的重要技术。
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7 G* [' H" I' t; M参考文献
4 E# F" j$ {  Q6 U3 H[1] M. Nikdast, S. Pasricha, G. Nicolescu, and A. Seyedi, Eds., Silicon Photonics for High-Performance Computing and Beyond, 1st ed. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2021.

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