從58Gbps到2Tbps：FPGA光子芯粒對傳統(tǒng)收發(fā)器的降維打擊

  本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號“老石談芯”

  人類文明的進(jìn)步，與“光”的使用密不可分。19 世紀(jì)晚期，英國物理學(xué)家丁達(dá)爾向人們揭示了光的全反射原理，這也解釋了光為何能在彎曲的水流或玻璃棒里向前傳播。自此，人們就開始了對光傳輸介質(zhì)的探尋。

  上世紀(jì)中葉，高錕發(fā)表名為《光頻率介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》的論文。他創(chuàng)造性的提出，使用基于石英的玻璃纖維作為光傳輸介質(zhì)，可以進(jìn)行長距離的信息傳輸。由此，光纖逐漸登上歷史舞臺。和電纜相比，光纖在性能、可靠性、安全性等很多方面都有極大的提升，這也使得光纖成為了現(xiàn)代文明主要的通信介質(zhì)之一，并引發(fā)了一系列通信行業(yè)的根本性變革。

  在半導(dǎo)體領(lǐng)域，當(dāng)前芯片間的主要互聯(lián)方式還是基于電氣連接。隨著距離的增加，數(shù)據(jù)傳輸帶寬會急劇下降，而由此帶來的能耗則會大幅上升。下圖就展示了芯片內(nèi)部、芯片與電路板、電路板之間等不同維度下，數(shù)據(jù)傳輸帶來的帶寬損失與能耗增長?？梢钥吹剑词乖诎寮壨ㄐ艜r采用光纜傳輸，相比芯片內(nèi)部的傳輸速度和能效仍然下降了 4 個數(shù)量級。

  為了解決這個問題，業(yè)界已經(jīng)開始探尋能否在芯片互聯(lián)時使用光傳輸代替電傳輸，從而極大提升數(shù)據(jù)帶寬、減少傳輸能耗、并延長數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x。在這其中，硅光子芯片技術(shù)正在獲得越來越多的關(guān)注。

  近日，一家名為 Ayar Labs 的初創(chuàng)公司展示了一款名為 TeraPHY 的光學(xué)收發(fā)器。這個光學(xué)收發(fā)器以芯粒(chiplet)的形式集成在英特爾 Stratix10 FPGA 上，可以達(dá)到 2Tbps 的數(shù)據(jù)帶寬，傳輸距離最高可達(dá) 2 公里，而傳輸功耗則不超過每比特 1pJ(10 的 -12 次方)。

動圖，左側(cè)是兩個光子芯粒，中間是 Stratix10

  相比之下，目前 FPGA 使用的 PAM4 收發(fā)器速率最高為 58Gbps，NRZ 收發(fā)器最高速率為 30Gbps，而當(dāng)前電氣收發(fā)器的路線圖也只不過安排到了 112Gbps。也就是說，這種光學(xué)收發(fā)器至少可以取得近 20 倍的性能提升，傳輸距離和功耗更不可同日而語，而這也將 FPGA 收發(fā)器的性能帶到了一個全新的高度。

  Ayar Labs 與光子芯片

  Ayar Labs 成立于 2015 年，總部位于美國加州。它是 MIT 的孵化企業(yè)，創(chuàng)始團(tuán)隊大都來自 MIT、UC Berkeley 等美國頂尖高校。Ayar Labs 先后獲得了英特爾資本、格羅方德(GlobalFoundries)以及洛克希德馬丁等公司的數(shù)千萬美元戰(zhàn)略投資。

  Ayar Labs 專攻的主要領(lǐng)域就是芯片級的光子傳輸，前文提到的 TeraPHY 就是該公司目前的主打產(chǎn)品。TeraPHY 的研發(fā)主要得到了美國國防高級研究計劃局(DARPA)的項目支持。

  在 2019 年的 HotChips 大會上，Ayar Labs 正式推出了 TeraPHY，并在前不久正式對這個光學(xué)收發(fā)器的性能進(jìn)行了在線演示。在接下來的文章中，我將詳細(xì)介紹 TeraPHY 的技術(shù)細(xì)節(jié)，特別是它的光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸方式，以及它是如何與 FPGA 進(jìn)行異構(gòu)集成的。

  Ayar Labs 在 2019 年 HotChips 大會的講稿幻燈片，已上傳至知識星球“老石談芯 - 進(jìn)階版”，請在文末掃碼進(jìn)入星球查看。

  TeraPHY：光電轉(zhuǎn)換的奧秘

  光學(xué)收發(fā)器 TeraPHY 最重要的技術(shù)創(chuàng)新，在于它解決了光信號的“調(diào)制”和“解調(diào)”兩個主要問題。這其中具體的物理學(xué)細(xì)節(jié)在本文不再贅述，下一段中，我嘗試簡單介紹其中的主要原理，不感興趣的同學(xué)可以直接略過這部分。

  簡言之，它利用了類似于定向耦合器的原理，當(dāng)兩個光傳輸介質(zhì)足夠靠近時，其中一個介質(zhì)里的能量就能耦合到另一個。此時如果在一個介質(zhì)上加入電場，就可以改變光在這個介質(zhì)中的傳播速度，從而控制光波的相位。通過這個過程，電信號的變化就轉(zhuǎn)變成了光信號的變化。之后當(dāng)兩個介質(zhì)里的光再次耦合時，由于光波的干涉原理，就會產(chǎn)生不同振幅。如果把波峰看成 1，波谷看成 0，那光波的不同振幅就可以解碼成由 0 和 1 組成的數(shù)字信號，也就完成了光到電的轉(zhuǎn)換。這個過程就是著名的馬赫 - 曾德爾干涉儀的工作原理。

  Ayar Labs 發(fā)明了一種環(huán)形諧振器(microring resonator)，來實現(xiàn)上述的過程。相比馬赫 - 曾德爾干涉儀，這種環(huán)形諧振器的尺寸要小 100 倍，能效高 50 倍，數(shù)據(jù)傳輸密度也要高 25-50 倍。通過使用這種裝置，可以實現(xiàn) 25Gbps 到 100Gbps 的傳輸帶寬。

  此外，由于不同波長的光在同一介質(zhì)里傳輸時不會相互影響，可以采用多種不同的波長代表不同的比特位，這樣就實現(xiàn)了一定程度上的并行數(shù)據(jù)傳輸。

  下圖展示了 TeraPHY 單個通道的收發(fā)過程，可以看到，這里采用了四種不同波長的光。在發(fā)送端，利用環(huán)形諧振器將不同比特位的數(shù)據(jù)分別調(diào)制到這四種光波上，并利用光纖進(jìn)行傳輸。在接收端，再利用環(huán)形諧振器進(jìn)行解調(diào)，將不同波長的光信號轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號。

  值得注意的是，為了提供穩(wěn)定的初始光源，Ayar Labs 還開發(fā)了一款名為 SuperNova 的激光源，它能夠提供最多 256 種波長的光波，等效 8.192Tbps 的數(shù)據(jù)帶寬。

SuperNova 激光源

  在 HotChips19 大會上，Ayar Labs 公布了一個 TeraPHY 的測試芯片設(shè)計。在發(fā)送端，包含 5 個光學(xué)宏單元，每個宏單元支持 16 個通道，每通道 25Gbps 帶寬，共計 2Tbps。

發(fā)送端光學(xué)宏單元的芯片版圖和架構(gòu)圖

  在接收端則包含 3 個宏單元，共計 1.2Tbps 帶寬。

接收端光學(xué)宏單元的芯片版圖和架構(gòu)圖

  光學(xué)芯粒與 FPGA 的異構(gòu)集成

  TeraPHY 剛面世時，它被同構(gòu)集成到一個 RISC-V CPU 芯片中，并代替了原有的 CPU IO 收發(fā)器。然而，這種同構(gòu)設(shè)計的靈活性十分有限，例如，如果需要把 TeraPHY 用于其他芯片系統(tǒng)，則需要重新設(shè)計和生產(chǎn)整個芯片。

  在芯粒(chiplet)設(shè)計大行其道的今天，將 TeraPHY 做成芯粒就成為了非常合理的選擇。在之前的文章中，曾詳細(xì)介紹過英特爾的 EMIB 技術(shù)。EMIB 最大的優(yōu)點在于它降低了系統(tǒng)的制造復(fù)雜度，并降低了不同硅片與芯粒間的傳輸延時。由于無需制造覆蓋整個芯片的硅中介層、以及遍布在硅中介層上的大量硅通孔，EMIB 只需使用較小的硅橋在硅片間進(jìn)行互聯(lián)就可以滿足硅片間的互聯(lián)需求。同樣的，由芯片 I/O 至封裝引腳的連接和普通封裝技術(shù)相比并未變化，因而無需再通過 TSV 或硅中介層進(jìn)行走線。對于模擬器件(如收發(fā)器)而言，由于不存在通用的中介層，因此對高速信號的干擾明顯降低。

  英特爾的 Stratix10 FPGA 中就使用了 EMIB 技術(shù)集成了不同速率的收發(fā)器和高帶寬存儲器(HBM)。此外，EMIB 還能用來連接多個 FPGA 硅片，通過這種方法，英特爾制造出了目前世界上最大的 FPGA – Stratix10 GX 10M。

  這樣，Ayar Labs 就將 TeraPHY 做成了芯粒的形式，它使用了格羅方德的 45 納米 RF SOI CMOS 工藝制造，在光學(xué)輸出端包含 10 個光學(xué)宏單元，最高傳輸速率可達(dá) 2.56Tbps。

  在電氣連接端，使用了名為 AIB(Advanced Interface Bus)的物理層協(xié)議。AIB 是英特爾推出的一個異構(gòu)互聯(lián)的開放物理層協(xié)議，關(guān)于它的技術(shù)細(xì)節(jié)在本文不再詳述，它的技術(shù)白皮書已上傳至知識星球“老石談芯進(jìn)階版”，文末掃碼進(jìn)入星球查看并參與討論。

  最后，TeraPHY 與 FPGA 硅片之間通過 EMIB 進(jìn)行互聯(lián)，并完成芯片封裝，這也就是所謂的多芯片封裝：Multi-Chip Package(MCP)。

  這是又一個使用 EMIB 進(jìn)行快速異構(gòu)集成的典型實例。通過使用這種方式，不用重新制造完整的芯片，只需要將現(xiàn)有的 FPGA 芯片與芯粒進(jìn)行互聯(lián)和封裝即可，極大提升了產(chǎn)品的靈活性，也大大降低了制造風(fēng)險與成本。

  在 Ayar Labs 最新發(fā)布的在線演示中，他們使用這個集成了光學(xué)收發(fā)器的 FPGA 進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸演示，并在 8 個光學(xué)鏈路下得到了 2Tbps 的數(shù)據(jù)吞吐量。Ayar Labs 預(yù)計將在未來達(dá)到超過 100Tbps 的吞吐量，同時每比特的傳輸功耗不超過 1pJ。

集成光學(xué)收發(fā)器的 Stratix10 FPGA 測試板卡，圖片來自 Ayar Labs

  結(jié)語

  制造玻璃的石英和制造芯片的半導(dǎo)體材料都源于沙子。正是這種取之不盡、用之不竭的材料，成為了推動人類文明進(jìn)步的重要基石。而“點石成金”的背后，則是無數(shù)研究者的不斷鉆研與創(chuàng)新。如今，光和電在 FPGA 里進(jìn)行融合，并進(jìn)一步擴(kuò)展了數(shù)據(jù)傳輸?shù)那熬?。老石相信，這樣的技術(shù)創(chuàng)新還會不斷涌現(xiàn)，并繼續(xù)推動技術(shù)和文明向前進(jìn)步。

  老石，微信公眾號“老石談芯”主理人，博士畢業(yè)于倫敦帝國理工大學(xué)電子工程系，現(xiàn)任某知名半導(dǎo)體公司高級FPGA研發(fā)工程師，深耕于FPGA的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)加速、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化、高速有線網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域的研發(fā)和創(chuàng)新工作。曾經(jīng)針對FPGA、近似計算、高性能與可重構(gòu)計算等技術(shù)在學(xué)術(shù)界頂級會議和期刊上發(fā)表過多篇研究論文。