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现代数据中心是高速互连最具挑战性的应用场景之一。在这些设施内部,不同的互连技术服务于不同的距离需求。电气输入输出连接适合芯片到模块以及使用直连铜缆(DAC)的短距离机架内连接。然而,对于更长距离,光互连变得必要,包括使用有源光缆(AOC)的机架内连接,以及机架顶部交换机到边缘交换机之间的连接。

图1:光互连线路与系统课程介绍页面,展示2024年春季学期课程信息,由Texas A&M University模拟与混合信号中心的Sam Palermo教授讲授。

数据速率与最大传输距离之间的关系说明了为什么在更高速度下需要光解决方案。当数据速率从每秒10吉比特增加到每秒25吉比特及更高时,电气连接可实现的最大距离显著减少。铜质DAC线缆可以在3到5米的距离上处理高达每秒25吉比特的速率。使用垂直腔面发射激光器的多模光收发器在这些速度下可以达到100米。对于以千米计的更长距离,使用波分复用的单模光收发器成为首选技术。

图2:数据中心架构示意图,展示不同距离下使用的各种互连技术,包括铜质DAC线缆、有源光缆和光收发器连接服务器、机架交换机和集群交换机的布局。

电气通道受到频率相关损耗的严重影响,在高数据速率下会大幅降低信号质量。通道响应在较高频率下显示出剧烈衰减,改进的背板连接在10吉赫兹时达到约20分贝的损耗,而传统背板连接可能遭受40到60分贝的损耗。这种频率相关损耗在时域中造成显著的脉冲展宽和符号间干扰。脉冲响应显示出跨越多个单位间隔的大量展宽,眼图揭示出未经均衡的链路几乎闭合的眼睛和严重的信号失真。

图3:通道性能影响图,显示未经均衡的电气链路在10 Gbps速率下的频率响应、脉冲响应和眼图,展示了严重的信号退化,包括三种不同通道类型(7英寸 desktop/零连接器、17英寸改进背板/2连接器、17英寸传统背板/2连接器)的对比数据。

均衡技术可以部分补偿电气通道的局限性。发射端有限脉冲响应(FIR)均衡对信号进行预失真以抵消通道损耗,而接收端连续时间线性均衡(CTLE)和判决反馈均衡(DFE)有助于恢复信号完整性。通过适当的均衡,脉冲响应变得更加清晰,显示大部分能量集中在中心单位间隔,向相邻符号的扩散最小。眼图明显张开,表明所有通道类型的信号质量都得到改善。

图4:经过均衡后的通道性能,显示显著改善的脉冲响应和眼图。与图3相比,三种通道类型的眼图都明显张开,脉冲响应集中,符号间干扰大幅减少。

相比之下,光通道表现出非常平坦的频率响应特性。光通道在从直流到16吉赫兹的整个频率范围内保持几乎恒定的损耗,在超过10太赫兹的带宽上变化小于半分贝。这种频率无关的特性消除了困扰电气通道的脉冲展宽和符号间干扰。因此,光链路需要的均衡电路要少得多,在可比数据速率下潜在地降低了复杂性和功耗。

光纤是光互连最常见的波导技术。单模光纤表现出极低的损耗,在1550纳米波长下约为每千米0.25分贝。相比之下,射频同轴电缆在10吉赫兹时的损耗约为每千米100分贝,这使得光纤在远距离信号传输方面的效率是同轴电缆的400倍。光纤中的频率相关损耗在超过10太赫兹的带宽上保持在每千米0.5分贝以下,为高速通信提供了巨大的容量。

图5:光纤横截面结构图和性能特性图,显示光纤核心、包层的折射率分布,以及损耗和色散随波长变化的曲线。图中标注了11 THz的带宽范围,频率范围从195 THz到230 THz,对应1300-1600纳米波长。

光波导也可以在芯片级和印刷电路板上实现,用于较短距离的互连。12通道带状光纤为并行光链路提供了紧凑的解决方案,通道间距为250微米,当每个通道以每秒40吉比特运行时,可实现每毫米每秒480吉比特的总带宽。嵌入印刷电路板的光学聚合物波导可以实现更紧密的通道间距,低于100微米,潜在地达到每毫米每秒超过100吉比特的信息密度。这些紧凑的波导解决方案提供的信息密度显著高于差分电气带状线,后者通常需要约500微米的间距。

图6:芯片间光互连的光纤带和聚合物波导实现示例。左图显示安装在电路板上的12通道带状光纤照片,右图显示集成到印刷电路板中的光学聚合物波导照片,波导发光点清晰可见。

光发射器将电数据信号转换为调制光功率,以便通过光通道传输。存在两种基本的调制方法:激光源的直接调制和使用单独的光调制器对连续波激光器进行外部调制。直接调制是最简单的方法,激光驱动电流直接控制输出光功率。然而,这种技术会引入不需要的频率啁啾,当通过长光纤传输时会导致脉冲色散。外部调制通过使用吸收式或折射式调制器来控制连续波激光器的光传输,从而避免啁啾,激光器以恒定功率运行。

垂直腔面发射激光器(VCSEL)为短距离光互连提供了常用的解决方案。这些器件通过垂直于芯片表面的结构发射光,该结构由夹着薄增益区的两个高反射率镜子组成。激光器的光-电流-电压特性显示了一个阈值电流,低于该电流器件产生的光输出最小。在高于阈值的偏置点附近对VCSEL进行电流调制可实现高速数据传输。斜率效率以每毫安多少毫瓦来测量,决定了电流转换为光功率的效率。典型的VCSEL表现出约700微安的阈值电流和每毫安0.37毫瓦的斜率效率。

图7:VCSEL结构和工作特性图。左侧显示VCSEL横截面结构,标注了顶部镜面、n接触、氧化层、增益区、底部镜面和p接触。右侧显示光功率和电压随电流变化的曲线,标注了阈值电流ITH = 700μA和斜率效率η = 0.37mW/mA。

VCSEL系统设计的一个重要考虑因素是带宽与可靠性之间的权衡。VCSEL带宽随高于阈值的平均工作电流增加,遵循平方根关系。然而,平均失效时间随着电流密度的增加而急剧下降,遵循平方反比关系。这在可靠性方面产生了带宽四次方的依赖关系,意味着带宽翻倍会使寿命减少16倍。驱动电流的仔细优化必须在性能要求和可靠性目标之间取得平衡。

环形谐振器调制器是另一种发射技术,特别适合波分复用系统。这些紧凑的器件环直径小于20微米,通过电压控制的折射率变化来调制光,这种变化改变了耦合到环中的光与保留在总线波导中的光之间的干涉。调制器可以被视为约10飞法的集总电容负载,使简单的CMOS电压模式驱动器能够实现超过每秒20吉比特的调制速率。多个调谐到不同波长的环形谐振器可以将独立的数据流调制到单个光波导上,实现波分复用,潜在的总带宽超过每秒1太比特。

图8:环形谐振器调制器结构和性能图。左上显示环形谐振器的示意图和显微照片,展示聚合物包层、高频调制标识和数据流。右上显示电压施加前后波长相关的传输特性,波长偏移Δλ/ΔV = 5 pm/V。底部显示20 Gb/s (223-1) PRBS的测量眼图。

波分复用技术可以成倍增加单个光波导的信息容量。通过使用多个工作在不同波长的激光源,每个都用独立的数据流调制,众多高带宽通道可以共存于一个物理光纤或波导上。环形谐振器在这些系统中具有双重用途,在发射器处充当调制器,在接收器处充当波长选择滤波器以分离复用通道。

图9:使用环形谐振器进行调制和通道解复用的波分复用架构。图中显示发射器IC包含热调谐逻辑和5个不同波长(TX1-TX5)的调制器,信号通过单模光纤传输,接收器IC使用相应波长的环形谐振器(RX1-RX5)进行解复用。右侧显示五个波长(λ1-λ5)的频谱分布。

该架构使用热调谐逻辑来维持适当的波长对准,因为温度变化会影响环形滤波器的谐振波长。在发射器处,多个环形谐振器调制器,每个调谐到不同的波长,将调制光耦合到连接到宽带激光源阵列的公共波导上。来自所有波长通道的调制信号一起通过单模硅波导传输。在接收器处,另一个环形谐振器阵列充当分插滤波器,每个环调谐以选择一个波长通道并将其耦合到专用光电探测器。这种方法使超过100个波长通道,每个以每秒超过10吉比特调制,共享单个片上波导。

光接收器将接收到的光功率转换回电信号以进行进一步处理。前端通常由光电探测器组成,产生与入射光功率成正比的电流,随后是电放大级。PIN光电二极管是最常见的探测器类型,通过在本征半导体区域中吸收光子来产生光电流。光电二极管响应度以每毫瓦多少毫安来测量,描述了从光功率到电流的转换效率。硅光电二极管在电信波长下实现约每毫瓦0.8毫安的响应度。

光电探测器设计涉及量子效率、带宽和电容之间的权衡。增加吸收区的厚度通过给光子更多材料来相互作用来提高量子效率,但同时增加了电容和渡越时间,限制了带宽。波导光电探测器结构巧妙地解决了这种权衡,将光吸收路径与电场路径分离。光沿本征区水平传播,而电场正交形成,既允许薄区实现快速载流子渡越,又允许长区实现高效吸收。

图10:波导光电探测器结构示意图,展示水平光传播路径,配有显微照片和频率响应图,显示运行频率超过40 GHz。左侧显示Ge-p、Ge-i和Ge-n层的横截面结构,光信号从SiN波导输入后在GeSi调制器中水平传播。右侧显示15微米探测器长度的显微照片和归一化响应随频率变化的曲线,在不同偏压(0V、-2V、-4V)下测量,-3dB带宽分别为12 GHz、28 GHz和42 GHz。

光电探测器后面的电放大器必须将光电流转换为电压信号,同时保持低噪声和高带宽。跨阻放大器提供标准解决方案,在高增益放大器周围使用反馈来建立良好控制的电流到电压转换。跨阻增益以欧姆为单位测量,决定了给定输入光电流产生的输出电压。在跨阻放大器之后,限幅放大器级提供额外的增益,并将信号转换为完整的数字逻辑电平,以供后续数字处理使用。

光互连系统的实际实现需要有效的集成策略来将光器件与CMOS电子线路结合起来。已经出现了两种主要方法:混合集成和单片CMOS光子技术集成。混合集成在针对光子性能优化的独立基板上制造光器件,然后通过引线键合、倒装芯片键合或短封装内走线等技术将这些组件与CMOS电子器件组装在一起。这种方法允许独立优化光子和电子工艺,但需要仔细注意互连中的寄生效应。

图11:各种混合集成方法,包括引线键合、倒装芯片键合和短封装内走线。左图显示引线键合的激光二极管阵列和驱动器,中图显示倒装芯片键合的光模块与CMOS IC、波导透镜阵列和光卡,右图显示聚合物波导板与集成VCSEL和光电二极管阵列、CMOS收发器以及去耦电容器。

单片CMOS光子技术集成直接在CMOS工艺中制造光器件,使用标准CMOS层或通过额外的后端处理步骤。绝缘体上硅CMOS工艺天然支持低损耗光波导,因为厚的掩埋氧化层防止光模式泄漏到硅基板中。硅器件层可以形成波导核心,二氧化硅包层,实现每厘米低于1分贝的损耗。后端集成方法在金属化堆栈上方添加光器件层,允许独立优化晶体管和光子器件工艺,同时最小化硅面积消耗。

图12:单片CMOS光子技术集成方法,使用SOI工艺和后端处理。左上显示SOI CMOS工艺的横截面,标注了铜、多晶硅、场氧化层、有源硅层、掩埋氧化层和硅基板,以及SOI晶体管、波导和SOI晶体管的位置。左下显示体CMOS工艺的聚硅波导结构,标注了刻蚀孔和气隙。右侧显示"光学层在上"的概念,包括探测器、波导、调制器的横截面示意图和实际显微照片,标注了Ge、SiO2、Cu、氮化硅和3微米尺度。

光互连的最终愿景不仅限于芯片间通信,还包括处理器核心之间的片上互连,以及连接处理器到内存和其他处理器的统一光链路。这种架构将光发射器和接收器直接放置在处理器核心旁边,片上波导在整个芯片中路由光信号。光输入输出将连接到片外波导,用于与其他芯片和内存模块的通信,创建完全光学的通信基础设施。

图13:光子CMOS芯片愿景图,展示多核处理器芯片,集成光波导连接各个核心,以及用于外部通信的光I/O端口,显示统一光互连架构。图中显示共享缓存、本地缓存、精简IA核心,以及电到光发射器(E-O TX)和光到电接收器(O-E RX)模块,通过波导连接到外部TX和RX端口。

这样的系统将利用波分复用的带宽密度优势,实现每个波导每秒数百吉比特甚至太比特的总带宽。光链路的能效,加上对电磁干扰和信号完整性挑战的免疫力,可以使计算系统比纯电气实现更高效、更可扩展。然而,实现这一愿景需要光子器件性能、集成技术和线路设计技术的持续进步,以在保持可靠运行的同时最小化功耗。

光互连技术为解决高性能计算和通信系统中电气互连在带宽、功耗和距离方面的限制提供了必要的技术手段。光通道的基本优势,包括频率无关损耗、巨大带宽和高信息密度,使得通信速度和距离达到电气解决方案无法实现的水平。包括VCSEL、环形谐振器调制器和高效光电探测器在内的多样化光器件生态系统,结合先进的集成方法,持续推动光互连能力向更高速度和更低成本发展。随着集成技术的成熟和器件性能的提高,光互连将在未来计算架构中发挥越来越核心的作用,可能从长距离电信扩展到处理器本身内部的片上通信。理解实现光互连的线路和系统为工作在光子技术、电子学和高速通信系统交叉领域的工程师提供了必要的知识基础。