解決芯片互連卡脖子問題：CMOS片上光電互連速度突破2Tb/s

  在三個關鍵系統(tǒng)模塊(處理器，內存和互連(I/ O))之間需要互相協(xié)調，每個要都在更好的提升性能。隨著按各種指標衡量的處理器和內存速度已得到了大幅提高，所以互連也需要跟上發(fā)展，以免整體性能被卡了脖子!但是銅纜鏈路正面臨著一些明顯的障礙。電光互連似乎是解決方案，但要使其發(fā)揮潛能并與硅一起工作一直是一個重大挑戰(zhàn)。不過，最近有一次演示展示了英特爾與Ayar Labs(加利福尼亞州埃默里維爾)之間的合作所取得的巨大進步，該項目是由美國國防高級研究計劃局(DARPA)在其“光子學”中贊助的。該計劃希望使用先進的封裝內硅光子接口來實現每秒1T位(Tb / s)以上的數據速率，同時所需的能耗不到1皮焦耳/bit。并能實現千米級的傳輸距離(圖1)。

SoC器件顯示(左)各個小芯片的位置以及完整的封裝(右)。

  英特爾/ Ayar項目尚未實現這些目標，但確實朝著這些目標邁出了重要一步。在2020年光纖會議(OFC)上的線上演示中，Ayar展示了其TeraPHY光學芯片技術，該技術已集成到通常使用銅互連的改進型商用IC(英特爾Stratix 10 FPGA)中(圖2)。

這是一種非常高級的光學I / O系統(tǒng)架構，圖片顯示了主要組件的互連

  從硅電子中產生光數據流并不僅僅是先進的LED、激光二極管、增強摻雜或獨特的制造結構的問題，盡管這些結構都具有更高的性能和扭曲度。。相反，它需要一種新的思維方式，需要先進的深層電光物理學見解，其中涉及合適結構中電子、電場和光子之間的關系。

  利用硅光子技術

  基本設計是基于使用硅光子學作為構件，包括波導、定向耦合器和微環(huán)諧振器。與廣泛使用的馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)相比，后者是耦合和能量傳輸的首選，因為它提供了大約縮小100倍的小尺寸，25-50倍的高帶寬密度和50倍的高能量效率。然而，它也需要更復雜的設計和精密制造。

  Ayar公司的TeraPHY芯片片采用GlobalFoundries公司的45-nm SOI CMOS制造工藝制造，該芯片集成了微米級的光波導。TeraPHY芯片上的光波導被蝕刻在硅片中，提供的功能是基于銅的能量和信號路徑的光學模擬。將兩個波導靠近，就能將光子和功率從一個波導轉移到另一個波導，從而形成一個能量耦合器。在耦合器內，一個直徑為10微米的微環(huán)諧振器可以對相位進行電調制，并控制光的方向，要么通過芯片，要么直至芯片頂部，從而創(chuàng)建I/O端口。

  TeraPHY平臺由單片集成的硅光子和CMOS組成(圖3)，采用倒裝片系統(tǒng)封裝(SiP)，可將一個SoC的綜合功能拆分在一個封裝的多個小芯片上。這些小芯片采用密集、節(jié)能、短距離的封裝內電氣互連方式互連在一起。

圖片展示了一個TeraPHY芯片的例子，顯示了16通道25G光子發(fā)射(Tx)和接收(Rx)宏以及相應的串行器/解串器(SerDes)(a)。多芯片模塊(b)的分解圖包括一個系統(tǒng)級芯片裸片和兩個TeraPHY芯片。(來源：Ayar Labs)

  SiP技術的主要優(yōu)勢在于能夠使每個小芯片提供不同的專門功能，并使用最適合實現該功能的工藝技術進行制造，只要該小芯片仍可以符合標準的SiP集成和封裝約束。這類似于在SiP中使用高密度CMOS來制作處理器或FPGA，再加上專業(yè)的模擬處理來實現精密數據采集和調理。

  盡管目標為1pJ / bit，但在這種類型的設計中，散熱方面的考慮與電子和光學方面的考慮一樣重要，因為SoC耗散了300W，TeraPHY耗散4.7W。分析表明，解決TeraPHY耗散問題的實用解決方案將其分為TxRx，電氣I/O和GPIO區(qū)域。

  當然，封裝也是分析的一部分，所得到的溫度曲線說明了高性能系統(tǒng)中預期的熱環(huán)境(圖4)。盡管CMOS器件可以承受這些工作溫度，但任何共封裝的激光器都將降低效率并降低可靠性，因此TeraPHY被設計為使用外部激光源。

圖4是多芯片模塊(MCM)的等距剖視圖

  這里只是對一個非常復雜技術做一個簡單的描述。更多的可以參考這方面的相關論文：

  https://ayarlabs.com/teraphy-a-high-density-electronic-photonic-chiplet-for-optical-i-o-from-a-multi-chip-module/#unlock

  https://ayarlabs.com/teraphy-a-chiplet-technology-for-low-power-high-bandwidth-in-package-optical-i-o/

  原文：https://www.electronicdesign.com/technologies/analog/article/21139195/cmos-plus-onchip-electrooptical-interconnect-zooms-past-2-tbs