3D光电子集成技术实现超低功耗高带宽密度芯片数据互联

逍遥设计自动化

引言
人工智能(AI)的快速发展对计算节点间的高速、低功耗数据通信提出了极高要求。AI芯片的计算能力已显著提升，但连接这些芯片的网络发展相对滞后，形成了重要瓶颈。本文介绍突破性解决方案，利用三维集成的光电子技术实现超低功耗、高带宽的芯片间通信[1]。
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) X8 I* C, i5 V6 H* T' f, J$ g技术挑战概述
过去二十年中，芯片计算速度比通信带宽提升快一千倍。目前，数据传输的能耗比计算操作高出约100倍。这种差距制约着AI性能的提升。传统芯片间的电互连依赖厘米级长的导线，速度慢且能耗高。为克服这一限制，需要在芯片内部的紧凑区域内实现电信号到光信号的转换。
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9 }% i* k0 p6 M' Z6 l8 ]$ |4 F3D集成的优势
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图1：完整展示3D集成光电收发器系统，包括(a)三维架构渲染图，(b)横截面材料堆叠图，(c)键合芯片的SEM图像，(d)PCB上的组装器件，(e)独立和集成芯片的显微图像。
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解决方案在于光电子芯片的三维集成。这种方法将先进的28nm CMOS电子芯片与包含光学器件的光电子芯片结合。电子芯片采用28nm CMOS工艺制造以实现最佳能效，而光电子芯片集成了基于硅的光学器件，如微环谐振调制器和光电探测器。
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7 j5 V3 w* P0 b$ n* y- f6 h两个芯片通过铜锡凸点键合，在2,304个连接阵列中实现了极小的15μm间距和10μm凸点直径。这种高密度集成在保持低电容的同时实现了空前的带宽密度。
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6 T. g. j" m1 u$ E7 I核心技术组件
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图2：全面的发射器表征，包括实验设置、电路示意图、光谱特性、谐振特性以及展示全部80个通道性能的眼图。
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系统包含80个并行发射器单元和80个接收器单元，组织成20个波导总线，每个总线有4个波长通道。发射器单元使用微盘谐振调制器将电数据编码到光载波上。这些调制器在1V驱动摆幅下实现了每比特50飞焦焦耳的超低能耗。

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) V. a/ n+ V; s. A+ u' }9 R图3：完整的接收器表征，包括测试设置示意图、电路原理图、响应度测量、光谱和误码率测试结果。
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接收器单元利用微环谐振器将特定波长滤波到锗光电二极管上，高效地将光信号转换回电流。接收电路在10吉比特每秒的速率下仅消耗70飞焦焦耳每比特就能放大这些信号。
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. X6 P+ a3 L" a" d+ w系统性能与影响
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( x$ x) r6 E" O/ L图4：完整系统演示，包括(a)链路示意图，(b)光谱，(c)眼图，以及(d)所有通道的误码率测量。
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系统实现了突破性的性能指标：
总能耗为每传输比特120飞焦焦耳
- E! b7 m5 X1 \& ], ~带宽密度达到每平方毫米5.3太比特每秒
: o6 O; c# }  z9 _% C& Y! y7 u总带宽800吉比特每秒
紧凑的占地面积仅0.32平方毫米
- e9 X2 }0 V% _; ~  N) w0 v. k1 C4 R1 y无错误运行，误码率低于10^-12
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* U  C6 o' G! s; Z# C, K1 N, q/ k与先前的技术相比，能效和带宽密度都提高了一倍。两种芯片都使用商业CMOS代工厂生产，具备规模化制造能力。

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应用前景与影响
/ E+ c2 V, U7 J( S# p. U这项技术通过消除数据位置限制，使AI计算达到新的水平。超高效的光链路使处理器能以最小的能耗实现远距离通信。这种能力可以通过以下方式改变计算架构：
通过光网络连接的分离式计算资源
显著提升分布式AI系统的规模
) O* M0 D2 A+ v灵活分配内存和处理资源
9 g0 Q3 `/ M/ ~: |. K0 @! t8 U0 W5 M针对AI工作负载优化的数据中心架构
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随着AI持续推动对计算能力的需求，这项芯片间通信的突破为未来扩展奠定了基础。超低能耗、高带宽密度和可制造性的结合使这种方法能有效解决AI系统发展中的根本挑战。

; ~! A/ e- s' Y7 o1 W  J' `: I3 U$ a% a这项技术在AI之外也具有广泛影响，可能在高性能计算、电信和其他需要芯片间高带宽、高能效数据传输的应用中创造新范式。通过缩小计算和通信能力之间的差距，这项工作推动下一代计算系统的发展。

参考文献
[1]S. Daudlin et al., "3D photonics for ultra-low energy, high bandwidth-density chip data links," arXiv:2310.01615v1 [physics.optics], Oct. 2023.
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* A9 u4 p2 A6 T: G: x( i' {关于我们：
) m4 |; j) e; v: u, j, s# Y深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。

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