高性能计算中光电互连技术

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现代计算系统对光电互连的需求

随着高性能计算需求的快速增长，传统电气连接正在接近物理极限。数据中心对更快数据处理和更高带宽的持续需求创造了一个严重的瓶颈，仅靠电气互连已无法解决这个问题。当我们研究从纯电气系统向混合光电解决方案演进时，这个挑战变得尤为明显[1]。

向光电互连技术的转变代表了数据传输方法的变化。传统电气连接虽然可靠，但在数据速率提高时面临重大挑战。信号衰减、功耗和热管理在更高频率下变得越来越成问题。光电互连提供了一个有效的解决方案，通过将电信号转换为光子，光子可以在光波导中以光速传播，而不会受到困扰电传输的相同限制。

图1：Occamy chiplet系统，包含2个Occamy和2个HBM芯片在TSV转接板上，以及assembly到系统板上的SMD电容器，展示了现代纯电气HPC系统的复杂性，显示了多个chiplet如何密集封装并通过电气路径互连。

现代高性能计算模块代表了工程复杂性的奇迹，将多个处理单元、存储系统和互连网络集成到紧凑的封装中。这些系统必须处理大量数据，同时在日益密集的布局中保持信号完整性。纯电气方法需要复杂的封装技术，包括硅通孔（TSV）和先进的重分布层，以实现必要的连接性。

图2：NVIDIA的Blackwell AI HPC模块。展示了电气HPC设计的最新技术水平，包含通过高带宽电气接口连接的多个reticle级芯片。

当检查这些系统的物理限制时，电气互连的局限性变得明显。微凸点焊接连接实际上不能低于35微米的最小间距，这对连接密度造成了根本性限制。随着计算需求持续增长，这些物理约束需要转向光学解决方案，光学方案可以提供更高的带宽密度而不受相同的空间限制。

图3：Occamy chiplet系统横截面图，显示转接板中的TSV、chiplet微凸点连接、分组到一个背面接触的TSV，以及尚未安装的背面焊球，揭示了电气互连系统复杂的内部结构，突出了实现高密度连接所需的复杂性。

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硅基光电子技术平台探索

硅基光电子技术的发展代表了解决计算系统带宽限制的一种新方法。GlobalFoundries的FotonixTM平台展示了半导体制造如何适应创建集成光学解决方案。这项技术将传统CMOS工艺与专门的光子器件相结合，创建了一个可以在同一芯片上处理电信号和光信号的单片平台。

图4：GlobalFoundries 45SPCLO单片RF SOI CMOS硅基光电子平台。展示了光子和电子器件在单一平台上的全面集成，显示了各种光学元件如何在统一系统中协同工作。

这种方法的关键创新在于不同器件的单片集成。高速微环调制器、马赫-泽德调制器和光电探测器可以使用成熟的半导体工艺与传统CMOS电路一起制造。这种集成消除了对单独光学和电气芯片的需求，降低了复杂性并提高了性能，同时保持制造可扩展性。

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光耦合技术理解

光互连系统最关键的方面之一是光纤和片上波导之间的高效光耦合。边缘耦合技术已成为一个特别有效的解决方案，提供低插入损耗和高功率处理能力。氮化硅波导的发展在实现这些性能水平方面发挥了重要作用，为高功率光传输提供了强大的平台。

图5：单片集成自对准氮化硅边缘耦合器，具有<0.6/0.8 dB TE/TM插入损耗和>520mW高功率处理能力。展示了现代边缘耦合解决方案的卓越效率，显示了光功率如何以最小损耗在不同波长范围内传输。

光耦合所需的精度需要创新的制造方法。V型槽技术为被动光纤对准提供了解决方案，允许单模光纤相对于片上光学器件精确定位，无需主动调整。这种被动对准方法对制造可扩展性至关重要，因为在assembly过程中消除了对复杂主动对准程序的需求。

图6：127微米光纤自对准到边缘耦合悬浮波导解决方案的SEM图像。显示了通过V型槽技术实现的精确机械对准，展示了如何精确定位光纤以实现最佳光耦合。

光耦合所需的精度也推动了先进制造技术的发展。激光共焦显微镜技术被用来验证V型槽边缘耦合器的性能，确保每个器件都能满足严格的光学性能要求。

图7：V型槽边缘耦合器的激光共焦显微镜图像。展示了边缘耦合器的精密光学结构，突出了实现高效光耦合所需的工程精度。

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高速性能特性分析

光互连系统的性能很大程度上取决于各个器件的速度和效率。现代锗光电探测器和微环调制器可以在超过65 GHz的频率下工作，使数据传输速率远远超过仅用电气连接可能实现的水平。这些高频能力对满足下一代计算系统的带宽需求必不可少。

图8：GlobalFoundries横向Ge PIN带宽在-1V时超过65GHz，微环调制器性能图显示消光比、插入损耗和相对光调制幅度作为带宽的函数。展示了光学器件如何在宽频率范围内保持效率，这对高速数据传输至为重要。

在这些高频率下保持信号质量的能力代表了相对于电气替代方案的显着优势。光信号不会受到限制电传输的相同频率相关损耗，允许在整个工作带宽范围内保持一致的性能。这个特性对需要在长时间内可靠高速数据传输的应用特别重要。

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实用光学解决方案实施

从实验室演示到实际实施的转变需要仔细考虑制造工艺和系统集成。Ayar Labs和Luminous Computing等公司已成功展示了硅基光电子技术如何应用于创建工作的光通信系统。这些实施展示了光电互连在现实应用中的实用可行性。

图9：Ayar Labs 8端口，8波长/端口TeraPHY Chiplet，利用2x12 MPO连接器24光纤阵列将光边缘耦合到光子芯片中。展示了如何通过先进连接器系统有效管理多个光通道，实现高密度光学互连。

图10：Luminous Computing 112 Gbps PAM4光发射器和接收器，使用低损耗光边缘耦合，演示显示了光学技术如何通过优化耦合技术实现超高数据速率，同时保持信号完整性。

这些实施的成功取决于解决实际考虑因素，如光纤管理、热稳定性和长期可靠性。先进的封装解决方案，包括可拆卸光纤连接和集成热管理，对创建适合在要求严格的计算环境中部署的强大光互连系统是必要的。

图11：Ayar Labs TeraPHY在GF FotonixTM平台上，使用Intel可插拔玻璃桥接解决方案，被动对准到GlobalFoundries V型槽阵列。展示了如何通过复杂的封装方法实现模块化光学连接，实现灵活的系统配置。

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先进系统集成

光电互连技术的最终目标是与现有计算架构无缝集成，同时提供卓越性能。硅通孔技术在这种集成中发挥关键作用，提供补充光学路径的高速电气连接。这种混合方法利用了电气和光学传输方法的优势。

图12：GlobalFoundries FotonixTM 45SPCLO平台中的低电容高速信号TSV，显示了先进的通孔技术如何在光学增强系统中实现高效的电气连接，创建了一个综合的互连解决方案。

高性能计算的未来将越来越依赖这些混合光电方法。通过将先进电子线路的处理能力与光传输的带宽优势相结合，这些系统可以满足人工智能、科学计算和数据分析应用日益增长的计算需求。这些技术的持续发展有望实现新水平的计算性能，同时保持能效和制造实用性。