面向能效型千万亿级(Petascale)互连的光I/O技术

逍遥设计自动化

引言
在人工智能(AI)和机器学习(ML)快速发展的背景下，光电互连技术正引起业界广泛关注。近期，光互连初创公司Xscape凭借独特的光电I/O(OIO)方案受到瞩目。技术基础深深植根于学术创新：Lipson教授作为公司联合创始人，将其在哥伦比亚大学的先进研究成果转化为产业应用。而另一位学术带头人Bergman教授的团队在硅基光电子互连领域同样贡献卓著。
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论文作者与Xscape公司的渊源尤其引人注目：论文主要作者来自Bergman教授的研究团队，其中作者Asher Novick现已加入Xscape担任技术要职。这种人才流动展现了学术界到产业界的成功技术转化。公司管理团队的背景同样出色，CEO拥有麻省理工学院(MIT)的教育背景，并在博通和英特尔积累了丰富的硅基光电子产品化经验。这样强大的产学研结合使Xscape在光频梳和微盘技术领域建立了显著优势。

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超大规模计算系统的数据流量呈指数级增长，当大型AI模型参数量超过100万亿并需要数百万核心进行训练时，现有的互连技术已无法满足需求。这种情况下，高性能的光电互连技术变得格外重要。论文中展示的技术创新，正是针对这一迫切挑战提出的系统解决方案[1]。
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让我们通过论文中的图1来说明光电I/O技术的演进：

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6 B' R! l5 X8 E. V) E5 g) y4 L图 1 展示了可扩展光电共封装输入/输出系统的各个关键组成部分。

下面逐一解释每个子图的内容：
(a) 传统可插拔光学系统中，计算单元与电光/光电接口之间需要长铜导线连接，这种设计导致能耗过高，且带宽密度受到限制。(b) 光电共封装采用三维集成技术和先进封装技术，在计算插槽内实现光学输入/输出的紧密集成，显著提升带宽密度和能量效率的综合性能。(c) 在性能提升方案中，通过采用适度数据传输率，实现大规模波长并行处理。(d) 可扩展连接架构使用奇偶分离器，采用级联微谐振调制器和滤波器。(e) 实测结果展示了链路协同设计的梳状光源光谱数据。(f) 多自由光谱范围通道排列应用25.69nm自由光谱范围的微谐振器，每条总线最多可支持17个通道。其中虚线凹陷表示共振别名，星号标记表示标称共振蓝侧，撇号标记表示标称共振红侧。这种设计方案通过创新的集成方式和先进的光电技术，实现了高效率、高带宽的数据传输系统。系统充分利用波长复用技术，在保持适度单通道数据率的同时，显著提升了整体传输容量。

4 Z& z, d, y: k' X硅基光电子技术的优势
9 Z. w6 W: E: T7 c; P; N嵌入式硅基光电子技术通过在计算插槽内深度集成光电I/O，实现了千万亿级(petascale)系统级连接。该技术利用微环谐振调制器和滤波器优异的波长选择性和紧凑的占用面积，实现了具有超高带宽密度的密集波分复用(DWDM)链路。
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  W/ w3 d8 E  z& h- K光学频率梳源的使用是这一领域的重要创新。让我们看看图2所示的架构和测量结果：
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$ J- U6 a) n: c4 l2 d图2：主要器件和测量结果，展示了(a)基于RAMZI的交织器显微图像，(b)示意图设计，(c)测量的传输谱，(d)监测结构示意图，以及(e)优化前后的光谱。
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) S. u- Q2 O9 O2 j, O9 R先进器件技术
该系统依赖多个关键器件技术的协同工作。微环谐振调制器是特别重要的创新。考虑图3所示的实现方案：
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图3：交错接触垂直结微盘调制器，展示了(a)接触方案示意图，(b)显微图像，(c)表明更多接触提高带宽的S11测量，以及(d)32 Gbps眼图。
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设计还包含带外部加热器的新型微盘调制器，如图4所示：
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图4：外部半刻蚀加热器设计，展示了(a)调制器示意图，(b)测得的58.6nm FSR传输谱，(c)热调谐效率，以及(d)16 Gbps眼图。

系统集成和封装
该技术实用化的关键方面是集成和封装方法。系统采用晶圆级衬底刻蚀技术来提高热效率，如图5所示：

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图5：晶圆级衬底刻蚀，展示了(a)刻蚀微盘的显微图像，(b)横截面视图，(c)底部渲染图，以及(d)多个晶圆的效率提升测量结果。
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! G/ ^4 S* v  h端到端系统验证通过图6所示的实验结果进行展示：

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图6：端到端传输实验，展示了(a)测试芯片显微图像，(b)梳源光谱，(c)实验设置示意图，以及(d)10个波长通道的测量眼图。

高密度集成
实现高带宽密度要求先进的封装技术。图7展示了高密度多芯片模块(MCM)方法，这种方法通过精密的三维集成实现了显著的性能提升：

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& H! |! I9 k. ~, P# A; Q7 J  w图7：高密度MCM，展示了(a)原型照片，(b)显微图像，(c)微凸点芯片，(d)25μm节距的微凸点，(e)金属焊盘，以及(f)横截面堆叠示意图。

利用chiplet方案实现高带宽密度的方法如图8所示：

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图8：高带宽密度光电子I/O chiplet，展示了(a)具有3D集成电子集成芯片/光电子集成芯片对的概念性多芯片封装，以及(b)详细的光电子集成芯片chiplet平面布局。
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链路预算与能效分析
系统性能分析需要仔细考虑链路预算。图9详细展示了信号传输路径和损耗分析：
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图9：链路预算分析，展示了信号在发射器和接收器中的传输路径，并详细计算了32 Gbps/通道运行时的损耗。

, J  p0 m- N) P7 x. `% p$ c0 z0 B调制器的特性和功率损耗对系统性能有重要影响。图10展示了详细的性能分析：
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  L; \, n0 g2 v% v图10：性能分析，展示了(a)调制器耗尽响应，(b)0.8V Vpp工作时的功率损耗，(c)接收器灵敏度与数据速率的关系，以及(d)最小光功率要求。
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通过这些创新设计，该硅基光电子技术实现了超过4 Tbps/mm线密度和17 Tbps/mm2面密度，同时保持亚pJ/b能耗水平。这种性能指标展示了该技术在解决下一代计算系统互连需求方面的卓越能力。

' _4 ?9 ~$ g6 E4 U4 D2 l( N; H  [应用前景与产业化
在产业化方面，Xscape公司结合Lipson教授和Bergman教授团队的研究成果，正在将这些技术推向市场。团队在光频梳和微盘技术方面的创新为高性能计算互连提供了实用的解决方案。学术界到产业界的技术转化正在加速这项技术的实际应用。
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$ r# j+ H* A# i3 C" h总结
硅基光电子技术在解决现代计算系统互连挑战方面取得了显著进展。通过整合调制器、滤波器等器件级创新，以及封装和热管理等系统级优化，展示了实现千万亿级互连的实用方案。
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多波长通道数据传输的成功验证，加上高带宽密度和能效的实现，表明这项技术在推动下一代AI和ML系统发展方面具有重要作用。随着计算需求的持续增长，这种集成光电子解决方案将发挥更大的作用。

# N; l! ^8 N) r未来发展将专注于器件性能优化、热管理技术改进和集成方法增强。目前的研究成果为这些工作提供了基础，同时突显了硅基光电子在应对现代计算系统互连需求方面的重要性。
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参考文献
[1] Y. Wang et al., "Co-Designed Silicon Photonics Chip I/O for Energy-Efficient Petascale Connectivity," IEEE Trans. Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. XX, no. YY, MMM YYYY, doi: 10.1109/TCPMT.2024.3492189.

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