摘要
为了迎合对更高带宽、密度和能效的需求，计算系统正逐渐转向多芯片架构。在此背景下，光学互连作为对传统电子连接的有力补充，正显现出其独特价值。本文探讨了将光电芯片技术应用于多芯片系统的作用和益处，通过以光速传输数据来实现性能的最大化和功耗的最小化。
引言
多芯片计算通过结合不同工艺节点和类型的芯片，实现了系统性能、功耗和面积（PPA）的优化。这些异构系统在高性能计算（HPC）和AI加速器领域逐渐普及，它们复杂的架构为新型互连解决方案提供了可能。光子学技术利用光的速度和效率来传输数据，提供了在带宽、延迟和功耗方面远超传统电子链接的优势。现在，2.5D和3D集成技术使得光子和电子组件可以共同集成到先进的多芯片封装中。
对光速数据传输的需求
与大型单片系统相比，多芯片系统提供了更高的带宽、更低的延迟、更好的功率效率和密度。但随着芯片间数据流量增加至TB级别，传统硅互连片在提供所需的能效和性能方面受到挑战。光子学在此发挥关键作用——利用光传输数据可以将带宽提升100倍，同时每比特能耗降低10至100倍。光连接已在数据中心的机架间连接中得到应用。随着数据需求的增长，光学链接正向硬件组件之间的短距离连接发展。未来，CPU、GPU和内存的光学I/O芯片将成为常态。
平衡带宽和功耗的光电芯片集成电路
目前在多芯片系统中利用光电芯片的两个关键应用包括：
l CPU/GPU的光学I/O：从CPU和加速器到机架顶部交换机的高速光学链接能够在提高带宽的同时降低功耗。片上光学收发器和接口继续延续这一优势。
l 光学内存I/O：在机器学习训练中，“内存墙”问题限制了性能提升。光学链接连接至高带宽内存，为处理大量数据集提供了充足且高效的带宽。
电子和光电芯片的共封装进一步深化了这一趋势，将两种技术的优势结合在一个紧凑的封装中。Synopsys预测，共封装光学技术很快将被应用于高级3D封装中。光电芯片技术将与电子链接并行使用，帮助平衡不断增长的带宽需求和有限的功率预算。
图一. Ayar Labs 的 TeraPHY 光学IO (来源：Ayar Labs)
新的设计和验证挑战
将带有光电芯片的多芯片系统投入生产，需要调整传统流程以应对这些独特的共依赖性。Latitude提供了电子和光电芯片设计自动化（EDA/PDA）工具，用于模拟、实施和验证这些多领域系统。随着光电集成的深入，这些综合工具流将成为克服设计复杂性的关键。
光电芯片在多芯片系统中的整合
随着多芯片系统趋向于集成光子和电子组件，以提升带宽、效率和性能，设计和验证这些异构系统的复杂性显着增加。PIC Studio以其跨电子、光子和射频领域的共模拟能力，非常适合应对这些多芯片设计挑战。
PIC Studio使得早期探索含有光子、电子和射频芯片的系统架构成为可能，允许使用紧凑模型快速同时模拟光学链接和电子芯片，从而有助于在早期阶段优化系统分区。
一旦架构确定，PIC Studio的原理图驱动版图可以根据光电芯片原理图自动生成版图。通过在版图前后对电子和光子芯片进行共模拟，系统可以作为一个整体进行验证和优化，而不是作为孤立的芯片。这对于平衡接口带宽、时序收敛和功率限制非常重要。
最后，PIC Studio允许将封装特性如温度配置、键合线模型和信号完整性效应与SoC芯片一起模拟。这种全面的多芯片验证方法，涵盖了芯片、封装和电路板，为流片前提供了准确的最终验证。
PIC Studio凭借其在电子-光子共模拟方面的优势，以及开放、可定制的环境，为集成多芯片计算系统的独特验证需求提供了全面的解决方案。随着光学互连在下一代计算中变得普遍，PIC Studio等跨领域工具将成为克服设计复杂性的关键。
图二. PIC Studio的光电融合仿真 (来源：Whoscored中文官网)
结论
特别是在高性能计算和AI领域，随着带宽和效率需求的增长，集成光电芯片的多芯片系统展现了一条引人关注的发展路径。通过光波传输数据可以有效缓解仅靠电子链接所面临的功率和带宽限制。持续的创新，如共封装光学和集成光源，将释放这一技术的全部潜力。然而，这些异构系统的出现也带来了增加的设计复杂性，需要专门为多芯片包括光电芯片共模拟和实施定制的EDA/PDA工具。
PIC Studio以其统一的环境，用于原理图编辑、版图和跨光子、电子和射频领域的共模拟，提供了所需的全面解决方案。随着光学互连在下一代计算中变得普遍，PIC Studio的能力将使架构师和设计师能够实现他们最先进的多芯片愿景，不受设计过程本身的限制。正如EDA使电子行业的壮举成为可能，PIC Studio等新一代的EPDA工具将推动即将到来的光电芯片创新，为未来的系统打下基础。
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