GlobalFoundries VP Anthony Yu訪談紀(jì)要：光電共封裝的數(shù)據(jù)速率提升帶來(lái)可靠性挑戰(zhàn)

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
在EE World的一次獨(dú)家采訪中，GlobalFoundries的Anthony Yu深入探討了數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的快速發(fā)展，特別聚焦于光電共封裝和硅基光電子。隨著人工智能和大型語(yǔ)言模型推動(dòng)數(shù)據(jù)需求激增，半導(dǎo)體行業(yè)面臨著提高數(shù)據(jù)速率同時(shí)保持可靠性的新挑戰(zhàn)。
- O  L" a) ^* l
" l. }4 U' _5 y. r" p
! ]7 p" ~( X1 x% ~1 m
  U  O; c% ]0 W5 ?Yu首先強(qiáng)調(diào)了過(guò)去一年行業(yè)發(fā)生的重大變化。人工智能和大型語(yǔ)言模型（LLMs）的興起創(chuàng)造了前所未有的數(shù)據(jù)處理和傳輸需求。在2024年光纖通信大會(huì)（OFC）上，業(yè)內(nèi)專業(yè)人士普遍感到迫切需要應(yīng)對(duì)Yu所說(shuō)的"即將到來(lái)的數(shù)據(jù)海嘯"。
4 \5 F1 `# b# x3 t; F( c% l" N: ?
-數(shù)據(jù)需求的激增主要由LLMs日益增加的復(fù)雜性驅(qū)動(dòng)。Yu指出，像GPT-4這樣的模型估計(jì)有超過(guò)1.8萬(wàn)億個(gè)參數(shù)，需要海量的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)傳輸能力。為了說(shuō)明這一點(diǎn)，有預(yù)測(cè)認(rèn)為到2028年，數(shù)據(jù)中心投資將以24%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。
* ~) E: Y2 w8 N! @" Y
  h' G) I; M% J' O' F目前，數(shù)據(jù)中心依賴可插拔光模塊連接服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。這些模塊通常安裝在服務(wù)器刀片的面板上，在發(fā)生故障時(shí)易于更換。訪談中提到的OSFP和QSFP-DD光模塊在當(dāng)前數(shù)據(jù)中心配置中常見(jiàn)。


圖1：OSFP和QSFP-DD光模塊。這些在當(dāng)前數(shù)據(jù)中心配置中常用于高速數(shù)據(jù)傳輸。

3 |# L! ]! a$ [隨著數(shù)據(jù)速率超過(guò)每通道224 Gb/秒，從面板到板上交換ASIC的長(zhǎng)電氣連接開(kāi)始出現(xiàn)信號(hào)完整性問(wèn)題。Yu解釋說(shuō)，行業(yè)此前在較低速度下通過(guò)將光收發(fā)器的電纜連接切換到更靠近ASIC的點(diǎn)來(lái)緩解這些問(wèn)題。雖然這種方法有所幫助，但銅鏈接對(duì)于人工智能和LLM應(yīng)用所需的速度來(lái)說(shuō)仍然太長(zhǎng)，無(wú)法保持信號(hào)完整性。
4 ~+ n8 i1 b! z  `% ~( \
( [2 `" M- O5 L- I+ o$ _. a為了解決這些限制，行業(yè)正在向光電共封裝發(fā)展。這種創(chuàng)新方法將光引擎和交換硅集成到同一基板上，消除了信號(hào)需要穿越PCB的需求。光電共封裝利用硅基光電子技術(shù)，直接在器件上移動(dòng)光，進(jìn)一步減少電信號(hào)必須傳輸?shù)木嚯x。
) t# q1 L- _5 ^6 J
Yu闡述了光電共封裝的概念："與在面板前部有一個(gè)通過(guò)銅連接連接到ASIC的可插拔收發(fā)器不同，光電共封裝將光學(xué)部分移到與ASIC相同的封裝上，使信號(hào)傳輸?shù)木嚯x非常短。"

這種方法在能源效率和密度方面提供了顯著優(yōu)勢(shì)。Yu強(qiáng)調(diào)了推動(dòng)光電共封裝發(fā)展的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)：能源效率（以每比特皮焦耳計(jì)量）和密度（每平方毫米可以容納的帶寬量）。

: c( I+ {9 N- L' jYu提到了數(shù)據(jù)中心機(jī)架中的Nvidia Blackwell GPU，說(shuō)明了人工智能和LLM應(yīng)用所需的高密度計(jì)算能力。


圖2：數(shù)據(jù)中心機(jī)架中的nVidia Blackwell GPU。此圖說(shuō)明了人工智能和LLM應(yīng)用所需的高密度計(jì)算能力。
3 f% C' M! j9 p# U$ ^
光電共封裝在可靠性和維護(hù)方面也帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。與可輕松更換的可插拔模塊不同，光電共封裝集成在ASIC封裝中，使維修變得更復(fù)雜且潛在成本更高。
( n6 {2 p6 p$ g' V; G" l2 q9 I" U# ]
為了解決這個(gè)問(wèn)題，Yu透露業(yè)界正在開(kāi)發(fā)可拆卸連接的光電共封裝。這種方法將允許機(jī)械更換到芯片的光纖連接，而不會(huì)干擾ASIC本身。Yu解釋說(shuō)：“要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，我們需要極高的可靠性。這正是我們所有人努力的方向。光學(xué)部分仍需要能在現(xiàn)場(chǎng)更換，而不會(huì)干擾ASIC�！�
1 A2 l7 c# ]1 r$ I7 O4 P
, K* l; c( i& xGlobalFoundries的GF Fotonix工藝在實(shí)現(xiàn)光電共封裝方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。Yu描述了該工藝如何通過(guò)各種調(diào)制方案將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光子。一旦轉(zhuǎn)換為光子，數(shù)據(jù)就可以在芯片上移動(dòng)，并通過(guò)光纖電纜長(zhǎng)距離傳輸。

7 I% W; ^2 v& _) G1 A5 }5 ?Yu詳細(xì)介紹了硅基光電子中使用的各種結(jié)構(gòu)，將其分為有源和無(wú)源組件。有源組件包括調(diào)制器（如馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器和微環(huán)諧振器）和用于將光子轉(zhuǎn)換回電信號(hào)的檢測(cè)器。無(wú)源組件包括用于低損耗光傳輸?shù)牟▽?dǎo)、用于分割信號(hào)的分光器、偏振操縱器和光束轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)。這些組件需要精確的圖案化和幾何結(jié)構(gòu)，以有效地在芯片內(nèi)操縱光信號(hào)。
2 i8 L6 x4 V- `. O+ D  r& }( f
4 [* y3 B8 m- @7 W隨著行業(yè)向更高集成度發(fā)展，封裝技術(shù)也在不斷演進(jìn)。Yu指出，目前最先進(jìn)的技術(shù)是2.5D異構(gòu)集成，其中芯片通過(guò)細(xì)間距銅柱連接到封裝上。然而，他預(yù)測(cè)在未來(lái)五到十年內(nèi)，將向3D集成轉(zhuǎn)變，這將在光電共封裝中普遍應(yīng)用。


3 @, ~/ j( o+ |( S* u' i0 T! e+ Y圖3：說(shuō)明光電共封裝概念的圖表。這顯示了ASIC和光引擎如何集成在同一封裝上，以提高信號(hào)完整性和性能。
3 G7 x" k( P" g+ t
隨著行業(yè)推動(dòng)更高的數(shù)據(jù)速率，OFC上的討論集中在800G、1.6T甚至6.4T配置上，硅基光電子必須適應(yīng)以支持這些不斷增加的帶寬需求。Yu解釋說(shuō)，GlobalFoundries使其客戶能夠使用線路拓?fù)鋪?lái)支持"光學(xué)擴(kuò)展"，通過(guò)粗波分復(fù)用（CWDM）和密集波分復(fù)用（DWDM）等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
1 ^  `4 {5 {7 m- _
  j$ }8 F: N3 b' k" k) A這些方法允許在單根光纖上傳輸多個(gè)波長(zhǎng)，大大增加了帶寬密度。Yu提到一些客戶已經(jīng)在實(shí)施每根光纖八個(gè)波長(zhǎng)，這得益于他們硅基光電子工藝中的微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)。
8 e& W2 @+ R  |+ E- u% {2 e
Anthony Yu的采訪提供了對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸未來(lái)的深入洞察。隨著人工智能和大型語(yǔ)言模型推動(dòng)數(shù)據(jù)處理和傳輸能力的空前需求，光電共封裝和硅基光電子正在成為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)。
  p) a2 N* j, z3 R
5 @' a- }& u& b% A0 Z2 W& ]" u將光學(xué)組件直接集成到ASIC封裝中承諾顯著提高能源效率和帶寬密度。然而，這也在可靠性和維護(hù)方面帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，業(yè)界正在通過(guò)可拆卸光連接等創(chuàng)新積極解決這些問(wèn)題。
2 K9 d. y$ }, s% A  w( |
, X+ s) y& Q& g4 \' [# I$ q參考來(lái)源
[1] J. Doe, “Co-packaged optics: Higher data rates increase reliability risks,” 5G Technology World, Aug. 25, 2024. [Online]. Available: https://www.5gtechnologyworld.com/co-packaged-optics-higher-data-rates-increase-reliability-risks/. [Accessed: Aug. 26, 2024].
. T( R1 L; u9 y# R& E
- F4 g  ^9 g& K* d* ~9 G5 \- F- END -

% I  }. c9 C9 a3 P0 k軟件申請(qǐng)我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無(wú)論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
6 B) i& R. Q* D7 Y+ Y, {0 B( g點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)

歡迎轉(zhuǎn)載
7 K+ ^5 J" M  i- K  g2 v2 n7 M
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！

; i7 D5 i' [% n3 ?8 A



關(guān)注我們
8 e$ ~" Q9 b4 J2 }1 e
0 ~" s4 q3 x) W2 Q3 P7 X( o

! a0 G4 c& [- g0 k+ I; o

/ M6 [+ X$ I# [* |1 C, H

                     
# p6 b" U8 o5 d  X  y) ]


  _* k0 j$ O% j7 e: f9 {關(guān)于我們：
深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開(kāi)發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
/ }! Q$ ^2 m" A- c
http://www.latitudeda.com/
" D% O+ [, H- z+ N0 a（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）