ISSCC2025 | 基于微型LED的光学收发器用于D2D通信

逍遥设计自动化

引言
数据传输已成为现代计算系统中的基本瓶颈。随着信息和通信技术(ICT)接近全球电力消耗的20%，寻找更高效的器件间数据传输方式变得非常必要。传统电气互连在功耗和密度方面面临着随通信距离增加而显著恶化的挑战。从封装内连接(>0.5pJ/比特)到机器内(>2pJ/比特)再到机架内(>5pJ/比特)通信，能源成本急剧上升。

半导体行业面临着传统芯片连接方法无法满足高性能计算、机器学习和其他数据密集型应用需求的困境。这在考察性能指标(带宽密度/能耗)与互连距离的关系时尤为明显，在0.1-1米范围内存在显著空白。
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使用为长距离通信设计的电信光纤技术用于短距离，相当于"坐飞机去杂货店"。本文提出了一种替代方法，使用微型LED(μLED)技术进行并行光学器件间(D2D)通信，在厘米到数米的距离内提供更低功耗、更高密度和更可靠的连接[1]。

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芯片连接的挑战
现代计算架构需要能够处理从厘米到数米距离的互连，同时提供在GHz时钟速度下运行的宽带并行数据总线，且能耗极低。这些互连必须提供高带宽密度，可能利用整个芯片面积而不仅是边缘，同时具备高粒度的灵活路由能力，且成本低、可靠性高。

( K% a: D# w6 I: C/ l( }( D传统方法的核心问题是移动数据时为电容充放电所需的能量。如演示中所述，"移动信息是计算中的基本瓶颈！"随着通信距离增加，这一瓶颈变得更加严重，在许多现代系统所需的关键0.1-1米范围内存在明显的解决方案空白。

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3 M8 V* s! o$ `  o' R2 h2 k图1：从封装内到板外不同通信距离的互连功率和密度瓶颈，最佳互连随距离增加消耗越来越多的功率。
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9 D6 |3 s9 q- M  R* o当查看行业互连性能指标(FOM，测量带宽密度/功耗与距离的关系)时，问题变得尤为明显。当前电气互连在超过几毫米后性能迅速下降，而光学解决方案仅在数米以上的距离才变得高效，这在现代系统中芯片间通信最常见的厘米到米范围内留下了关键空白。

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图2：问题随距离恶化的图表，绘制了性能指标与最大互连距离(以米为单位)的关系，突出显示了中等距离解决方案的空白。

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/ p2 s, b( x2 t9 g) C为何传统电信技术不足
基于电信技术的传统光学互连方法对于芯片间通信存在几个显著限制。单模光纤虽然在长距离传输中表现出色，但在尝试创建并行互连所需的密集阵列时存在封装难题。激光器在计算环境常见的高温条件下性能较差，影响长期可靠性。
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% N  T. j+ D2 E# G检测长波长光(850nm、1300nm、1550nm)需要特殊材料如锗或铟镓砷，这些材料与标准CMOS工艺不自然兼容。此外，基于激光器的方法由于存在阈值电流需求—激光开始工作前所需的最小电流—引入了功耗底限，在扩展到多通道时成为显著能耗负担。

  R8 B- F' g7 L0 w& R8 z! g电信技术方案还需要额外的光学组件，如隔离器和防反射涂层来管理激光光的相干特性。这些组件增加了互连系统的复杂性、成本和尺寸。此外，硅基光电子通常需要特定制造工艺节点，而铟磷技术与标准CMOS制造流程的完全集成仍具挑战性。
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图3：电信技术的挑战和2017年的"1.6 Tb/s"模块演示，突显了这种方法的复杂性，包括单模光纤、多波长和专用组件。
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5 c0 m, L3 U  x0 W6 ^1 u新方法：基于微型LED的光学互连
该演示提出利用GaN微型LED显示技术领域的大量投资创建并行光学数据总线。与激光器不同，微型LED无需阈值电流，可在极低电流水平下高效运行。这一根本区别使其能够在仅几微安的电流水平下运行，相比激光器解决方案通常需要的毫安级电流大大降低。

微型LED可在每个器件超过10Gb/s的速率下调制，同时保持优秀的信号完整性。作为非相干光源，它们避免了困扰激光器系统的许多噪声和可靠性问题，如模式分区噪声、对光反馈的敏感性以及反射引起的干扰效应。这转化为更强健的误码率性能，特别是在可能存在反射或多个光路径的环境中。

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图4："新型Magic器件"—高速GaN μLED及其主要优势，以及一张展示性能的14Gb/s眼图。

. Y; m: o# F! I: V# D/ j该技术建立在消费电子微型LED显示领域的巨大产业投资基础上。苹果和三星等公司已投入数十亿资金开发将微米级LED转移到硅背板上的工艺，产率接近99.99%。这些工艺涉及精密的激光剥离技术和精确放置方法，这些方法最初为显示应用而精细调整，但可重新用于通信目的。

制造工艺通常包括在蓝宝石衬底上生长GaN LED结构，通过光刻工艺定义单个器件，使用激光剥离将器件与生长衬底分离，然后精确转移并键合到目标衬底如硅集成电路上。该工艺已实现工业化，能以极高产率处理数百万器件，使其在经济上可行用于互连应用。
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2 W$ x# C. }4 E! `6 d1 Q; [图5：微型LED显示技术的例子，包括Apple Watch、CMOS显示器、转移阵列和隐形眼镜显示，展示了技术的成熟度和多样性。

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5 H; K. w! D# c2 H- {) i在硅中的蓝光检测
微型LED互连的关键使能因素之一是蓝光(约425nm波长)与标准硅之间的有利相互作用。与电信中使用的更长波长(850nm、1300nm、1550nm)深入硅内部(10μm或更深)不同，蓝光在硅表面约300nm内被吸收。

这种浅吸收深度完美匹配现代CMOS工艺中可用的薄活性区域。即使在具有高掺杂水平和相应窄耗尽区的先进工艺节点中，也能高效检测蓝光。这使得可以直接在标准CMOS工艺中集成非常高速、低单位面积电容的光电探测器，无需异质材料。

演示引用了Bhatnagar和Miller在2004年的早期工作，该工作将425nm确定为"互连中特别有吸引力的较短波长"。可以实现各种光电探测器结构，包括在保持高响应率的同时最小化电容的横向p-in结构。这些结构已在体硅、XFAB 130nm SOI工艺和标准CMOS图像传感器技术中成功示范。

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图6：展示了蓝光检测原理，包括吸收系数与波长关系的图表，突出显示硅在短波长下的强吸收，以及130nm SOI工艺中横向p-in光电探测器结构的横截面。

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  Y6 O  F) f- ~. |/ y% m- \并行链路的能效提升
工作中的一个核心见解是将单个高速串行链路分解为多个以较低速度运行的并行通道可大幅提高能效。分析始于考察典型跨阻放大器(TIA)的输入参考噪声电流，它与带宽的1.5次方和光电探测器电容的0.5次方成正比：In,in ∝ BW^1.5 × √CPD。
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当运行在带宽BW的串行链路被分成N个并行通道，每个通道运行在BW/N，每个通道所需的输入参考噪声电流下降N^1.5倍。这意味着并行阵列中的每个发射器可以用成比例更少的光功率运行，从而显著节省能源。

对于发射器(TX)端，每个并行元件可以在串行等效物1/N^1.5的功率下运行。因此，N个元件的总TX功率成比例于N×(1/N^1.5)=N^-0.5=1/√N，相比单一高速通道所需功率大幅降低。这代表着随并行通道数量增加而增长的显著功率优势。

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2 K! \3 S1 c) c: _5 x! f图7：展示了并行TX能效提升的数学分析，包括公式和比较串行与并行方法参数的表格。
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& Z/ X2 i( r8 t+ i- J: J2 D在接收器(RX)端，由于速度要求降低，TIA中的反馈电阻可以增加N^2倍同时保持相同带宽。这与减少的输入电流需求相结合，导致TIA输出的信号摆幅与串行情况相比成正比于√N。增加的信号幅度放宽了后续限幅放大器级的增益要求，通常允许消除几个放大级，进一步降低功耗。
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分析表明，考虑所有这些影响，串行与并行方法之间的功率比大约遵循PS/PP∝N^0.55，表明随着通道数量增加，并行链路变得越来越节能。

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图8：并行RX能效提升分析，显示TIA输出信号摆幅如何随并行化增加。

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' K' V' _7 c; ?/ ~3 m光学接收器设计考虑
6 N! g# z  l3 r5 J/ U为微型LED基光学链路创建实用接收器提出了几个技术挑战，这些挑战在设计中被系统性解决。蓝光敏感光电探测器与CMOS电路的集成需要平衡低电容与高响应率，同时最小化封装相关的寄生电容，特别是与ESD保护结构相关的寄生电容。

+ @, G5 q- x8 y接收器的物理布局必须非常紧凑，以匹配发射器阵列的高密度，在原型实现中每个通道仅占据50μm×50μm。在这一严格的面积限制内，设计需要达到足够的灵敏度，以检测微型LED在最高效区域运行时发出的极低光功率水平(有时仅几微瓦)，同时保持10^-12或更好的误码率。

并行接口的一个特殊挑战是需要处理DC平衡数据而不产生基线漂移或模式相关抖动。这需要很低或零低频截止，这在光学接收器中常用的传统RC耦合方法中难以实现。

  ]3 {& _2 e) H) K  g  {- \为解决偏移消除挑战，团队开发了一种创新的数字方法，避免了集成大电容的不切实际需求。数字偏移消除电路使用基于比较器的1比特ADC输入，随后是具有可编程增益控制的数字积分器和5比特数模转换器(DAC)提供校正信号。
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图9：展示了提出的数字偏移消除电路，包含20比特数字积分器、数字增益控制和DAC，提供非常低的低频截止频率。
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数字积分器随时间累积比较器输出，有效检测接收信号中的任何DC不平衡。数字增益控制允许调整环路动态，实现低频截止点的微调。数字环路中的"冻结"功能允许在初始校准后禁用它，潜在实现真正的DC耦合。
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6 e1 R2 j  y* {3 ~系统采用精心设计的5比特电阻-电阻(R-R)数模转换器，优先考虑单调性和低功耗而非绝对精度。DAC使用分段架构，带有粗调和细调选择器，为偏移校正提供32个精确电压级别。

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图10：展示了接收器的低频模型和相关传递函数。

' a" j, K+ r4 y1 g完整系统分析证明了在广泛环路增益设置范围内的稳定运行，低频截止点低至14Hz—远低于传统AC耦合光接收器通常表现出的兆赫或千赫范围截止频率。

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1 \) R' ?" a# ~2 R图11：设计在不同数字增益控制设置下的低频响应和稳定性，实现低至14Hz的截止频率。

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3 s. U3 L- N7 T( v: Y! R6 k# C" ?5 J测量结果和原型实现
团队在130nm CMOS SOI工艺中制造了一个原型，集成了专为蓝光检测设计的光电探测器。芯片包括32个接收器(RX)元件和32个发射器(TX)元件，排列在紧凑阵列中。每个光电探测器尺寸为15μm×15μm，展现出约10fF的极低电容，实现高速运行和最小噪声。
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) G( k7 T8 C) a& d8 g完整的RX/TX元件各占用仅50μm×50μm，允许非常高密度集成。接收器链包括跨阻放大器(TIA)、后置放大器、限幅放大器和前述的数字偏移消除电路。设计中包含输出测试缓冲器以便于性能测量。
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图12：展示了130nm CMOS SOI工艺中制造的原型，包括芯片照片、测试缓冲器示意图和用于测量眼图和误码率的测试设置。

, S& d- W9 X9 Y. r& s7 y测量设置使用PRBS(伪随机比特序列)生成器驱动离散微型LED，光通过透镜耦合到接收器芯片。输出通过示波器测量眼图，通过误码率测试仪(BERT)测量灵敏度。

结果展示在2Gbps数据率下表现出色，眼图清晰开放。接收器在10^-12误码率下达到-19.3dBm灵敏度，这与在更先进技术节点实现的更复杂接收器具有竞争力。能耗显著低至0.5pJ/比特，设计实现约14Hz的低频截止频率，比同类光接收器低数个数量级。

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  K5 i# [9 K; v! G# T- B图13：展示测量结果，包括2Gbps的眼图和BER与光功率曲线，以及与其他光接收器实现的比较表。
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除初始原型外，团队在台积电16nm工艺中创建了更先进的演示芯片。该芯片在50μm网格上排列304个LED和304个光电探测器，在LED和光电探测器阵列上集成微透镜阵列以提高光耦合效率。系统通过304个通道并行运行，每通道4Gbps，实现约1.2Tbps总带宽，同时保持链路功耗低于1pJ/比特。

这一先进演示包括额外数字功能，如集成误码率测试能力(模式生成器和错误检查器)、用于接收器优化的开放眼监控，以及用于芯片间通信的特殊接口。该芯片展示的高集成度代表着向微型LED基光学互连技术实际部署迈进的重要一步。
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; Q* \8 _6 ]& R6 U: r. S3 a图14：1Tb/s演示芯片，Si光电探测器阵列和μLED阵列键合到IC上，突显实现的高集成密度。
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总结
基于微型LED的光学互连方法代表了厘米到米尺度器件间通信的范式转变。它实现了"30年光到芯片的梦想"，相比传统方法具有几个关键优势。

微型LED技术相比电信技术方法的简单性转化为更容易集成、更少组件和消除复杂光学结构。成本优势相当可观，因为该技术利用了显示制造基础设施的大量投资，而非需要专业光电子工艺。

+ a8 m* R( `2 `$ H- ~- ]( D通过避免激光器系统固有的相干相关问题，可靠性显著提高。微型LED在高温下舒适运行，不受模式分区噪声或反射敏感性影响，不需要光学隔离器或专用涂层。
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# q0 e0 V4 ?2 b4 x) Q/ F并行架构实现了具有固有低延迟和高粒度的宽数据总线，与处理器、内存和GPU接口的原生并行特性完美匹配。这消除了传统光学方法中常用的能源密集型串行器-解串器(SerDes)电路需求。

& V6 o1 B. H0 J& `! i( B8 G参考文献
4 J. O, F) W5 Q$ C7 h0 \3 d[1] E. Afshari et al., "Parallel Versus Serial: MicroLED based Optical Transceiver for D2D Communication," presented at the International Solid-State Circuits Conference (ISSCC 2025), 2025.
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