摘要
本文概述了DARPA微系统技术办公室在2018年启动的PIPES（光子集成封装极致可扩展，Photonics in the Package for Extreme Scalability）计划。PIPES的目标是开发集成在微电子封装中的光互连技术，以通过大规模并行计算实现指数级的计算性能增益。本文总结了多阶段PIPES计划的动机、目标、结构和技术领域。 本文着重介绍了该计划三个主要技术轨道的关键指标和里程碑：光子赋能的MCM、大规模并行光子和互连结构。最后，本文通过描述PIPES目标的激进光I/O技术的潜在影响为结尾。
简介
自2000年代中期摩尔定律放缓以来，半导体行业日益依赖并行化和新体系结构来持续推动处理性能的提升。 然而，随着计算节点数量的增长，元素之间的数据传输成为限制整体系统吞吐量和可扩展性的关键瓶颈。 电子互连在带宽密度、范围和能效方面有着基本的局限性。光子互连提供了一个令人信服的解决方案，但光子集成必须从板卡和机架层面直接进入微电子封装，以充分发挥性能提升的优势。PIPES计划于2018年DARPA机构公告（BAA）中提出，其目标是开发和成熟在封装级别集成的光信号传递和互连技术，以实现空前的系统性能和并行性。PIPES寻求的激进功能有望催生计算能力的颠覆式提升，既有利于商业数据中心，也有利于专用国防应用。本文根据计划BAA总结了PIPES计划的结构、目标和技术领域。
PIPES计划概述
PIPES由DARPA微系统技术办公室组织 （MTO），并与更大的电子业复苏计划（ERI）的战略目标保持一致。多阶段的42个月PIPES计划有四个目标：
证明集成在微电子封装中的光互连技术，满足带宽密度、能效和复杂性的高要求目标。
开发原型系统和功能，以验证光子封装方法的性能优势。
建立一个更广泛的生态系统，为专门的国防需求提供先进的光子互连技术。
催熟组件技术的制造准备情况，并将光子学专业知识整合到国内微电子能力中。
6500万美元的PIPES计划包含三个技术领域 （Technical Area）， 从概念到系统集成来满足这些目标：
TA1：光子启用的多芯片模块（MCM）
TA2：大规模并行光子学
TA3：互连结构
每个技术领域有三个阶段（第二阶段和第三阶段有可选项）导致计划结束时的交付成果：
- 阶段1：可行性演示
- 阶段2：集成和原型制作
- 阶段3：制造准备情况和生态系统访问
通过催生共封装光互连，PIPES旨在实现100倍的带宽密度提升、10倍的能效提升和10倍的通信延迟降低，以克服高性能计算中迫在眉睫的互连瓶颈。以下部分概述了PIPES三个技术推动方面的目标、指标和里程碑。
TA1：光子賦能的MCM
技术领域1的目标是开发集成在多芯片模块（MCM）封装中的光I/O技术，并展示空前的带宽密度和能效。TA1旨在以每数据包仅1 pJ的功耗提供100 Tbps全双工带宽，相对于目前电子信号而言，带宽密度提高了100倍，能效提高了10倍。TA1每个阶段的关键指标列在表1中。
TA1旨在开发与电子接口媲美的光互连技术，以平稳地将光子技术集成到微电子封装中，没有破坏。因此，TA1为标准制造工艺设置了里程碑，并寻求与传统MCM兼容的形式因素。除了推进核心技术外，TA1执行者还需要通过协作生态系统为专用国防需求提供PIPES功能的开放访问。
TA2：大规模并行光子学
技术领域2专注于开发目标达到1 Pbps全双工总带宽仅需0.1 pJ/bit的革命性光子互连技术。这一方向与2030年及以后高性能计算的互连需求预测一致。虽然1 Pbps可能超出PIPES时间范围，但TA2旨在通过计划内开发的颠覆性技术来证明可信的扩展轨迹。TA2的关键里程碑概述在表2中。
阶段 关键里程碑 ：
测试台原型 10 Tbps 集成原型 100 Tbps 集成原型
为了达到极具挑战性的能效和带宽密度目标，TA2可能会在如密集芯片激光器、先进调制、等离激元学、光子集成和电光联合设计等领域取得突破。在强调尖端光子学研究的同时，TA2解决方案还必须证明可制造性及与大规模微电子制造的协同效应，以实现真正的系统影响。
TA3：互连结构
最后一个推动领域技术领域3针对光互连网络的关键使能技术，包括封装和交换。封装工作将寻求提高端口密度和校准公差，以支持可扩展制造光子启用MCM。交换工作旨在开发大端口计数的无阻塞光交换机用于灵活的互连。这些技术有望放大高带宽光子I/O的系统效益。里程碑强调扩展到1000个以上交换端口和封装接口，以及光损耗、交换时间、功耗和制造能力的指标。
影响 PIPES计划代表DARPA雄心勃勃的承诺，以塑造微电子互连的未来，并催生计算性能的颠覆性提升。PIPES的激进带宽密度、能效、延迟和可扩展性目标旨在将光学作为集成电路的基础技术，并转变数据移动架构。此外，通过建立PIPES技术的协作生态系统，DARPA旨在使先进集成光子互连的深远利益可用于专门的国防需求和应用。如果成功，PIPES下实现的制造、集成和系统协同效应可能引发一场基于光学的计算新时代。
总结
本文概述了DARPA的PIPES计划及其三个研究推动领域，旨在开发和集成光信号技术到微电子封装中。光子启用MCM、大规模并行光子学和互连结构这三个技术领域在三个开发阶段针对带宽密度、能效、复杂性和制造能力制定了里程碑指标。通过将光学引入先进的多芯片封装，PIPES旨在实现指数级的计算性能提升，以满足未来商业数据中心和国防应用的高性能计算需求。通过其雄心勃勃的技术目标和协作生态系统模型，PIPES的成功可能会深刻重塑光子技术在微电子系统中的作用。
参考文献
[1] DARPA， Microsystems Technology Office Broad Agency Announcement Photonics in the Package for Extreme Scalability （PIPES） HR001119S0004 October 31， 2018
微信公众号 
bilibili 
微信视频号