简介
人工智能 （AI） 和机器学习 （ML） 等新兴计算应用对互连带宽的需求日益增长，导致封装内和封装外 I/O 带宽之间的差距不断扩大。由于功率和密度的限制，传统的电气互连难以扩展，因此要解决这一差距具有挑战性。另一方面，光学互连凭借其固有的高带宽密度、低功耗和长距离传输能力等优势，提供了一种前景广阔的解决方案。本教程重点介绍Ayar Labs基于硅基光电子技术在通过使用光 I/O 芯片和链路弥合封装内和封装外 I/O 互连差距的成果 [1]。
封装外 I/O 的扩展挑战
互连带宽需求的增长速度已经超过了传统电气 I/O 接口的扩展速度。如图 1 所示，封装内 I/O 带宽与封装外 I/O 带宽之间的差距不断扩大，成为芯片与系统之间数据传输的瓶颈。光学 I/O 芯片旨在通过提供高带宽、高能效和可扩展的互连解决方案来弥合这一差距。
图 1. 封装内和封装外 I/O 带宽之间的差距
光 I/O 芯片系统架构
光 I/O 芯片可集成到先进的封装架构中，实现插槽、电路板或机架之间的高带宽芯片到芯片 （D2D） 互连。如图 2 所示，光 I/O 芯片充当两个独立封装或插槽的 D2D 电气接口之间的桥梁，通过单模光纤促进数据传输。这种架构利用外部多波长激光源作为光通信通道的光源。
图 2. 光 I/O 系统架构
系统构件：微环调制器和滤波器
光 I/O 芯片的核心构件是微环调制器和滤波器。微环调制器（图 3）是结构紧凑的器件，可用作可调光学陷波滤波器。掺杂有 PN 结，在这些结上施加电压会改变调制器波导中的载流子数量，从而有效地移动陷波波长。通过将微孔与总线波导耦合，可以选择性地调制或过滤特定波长的光，从而实现波分复用（WDM），实现高带宽数据传输。
图 3. 微环调制器
微环滤波器（图 4）可捕捉特定波长的光并将其送入光电探测器，从而实现波分复用信号的解复用。通过沿总线波导级联多个微分复用调制器和滤波器，可以实现密集波分复用（DWDM）系统，其中每个微环都是一个独立的光通信通道。
图 4. 微环滤波器
Chiplet D2D 接口： 线性驱动和复位时
光 I/O 芯片可与不同的 D2D 电气接口连接，大致可分为线性驱动（LD）和复位时两种。在线性驱动方法中，光器件作为直通，构成串行器/解串器（SerDes）通道的一部分。相比之下，复位时方法将光学器件与 D2D 接口分离，引入了复位时器，并允许对光学和电气接口进行独立优化。
对于人工智能和 ML 等计算密集型应用，复位时光 I/O chiplet 方法在能效、带宽密度和覆盖范围方面具有优势。它可以利用先进的 D2D 接口技术，如高级接口总线 （AIB） 或即将推出的通用芯片组互连 Express （UCIe），来解决封装外 I/O 互连的差距。
复位时光学 I/O Chiplet 设计： Shasta
为了展示复位时光学 I/O 芯片的潜力，设计并制造了名为 "Shasta "的原型。Shasta 是一个 4.096 Tb/s 的全双工复位时光 I/O 芯片，在光接口和电接口上都具有 2.048 Tb/s 的传输带宽和 2.048 Tb/s 的接收带宽。采用 DWDM 技术，每个端口有 8 个波长，每个波长的运行速度为 32 Gbps，并支持 16 个电气 AIB Gen 1 信道，每个信道的运行速度为 2 Gbps。
工艺技术和光纤连接
Shasta 采用 GlobalFoundries 的 45SPCLO 硅绝缘体 （SOI） 工艺制造，可在 300mm 平台上实现硅基光电子器件和晶体管的单片集成。带有 V 形槽的无源对齐边缘耦合通过将光纤自对齐定位来简化封装工艺。单片集成与 V 形槽的结合大大降低了光纤连接的复杂性。
图 5. GlobalFoundries 的 45SPCLO 硅绝缘体 （SOI） 工艺
电气接口设计
Shasta 的电气接口利用了 AIB Gen 1 芯片组接口，该接口源于英特尔/Altera FPGA 的芯片组，随后被开源。AIB 接口非常适合具有高 I/O 数量和 55μm 以下凸点间距的高级封装，可在短距离内实现高带宽密度。
Shasta 的 AIB 接口实现了 16 个信道，每个信道的工作速率为 160 Gbps（80 Gbps 发送和 80 Gbps 接收），原始带宽密度超过 1 Tbps/mm。接口采用 2 Gbps 的全速率内部架构，前向时钟符合 AIB 规范。数据、时钟和边带信号采用单一 AIB I/O 单元设计，可灵活处理不同的备用凸块配置。
图 6. 电气接口设计
光收发器的设计
Shasta 的光接口由八个光收发器宏组成，每个宏支持 8 个波长的发送和 8 个波长的接收，每个端口的总速率为 256 Gbps（图 7）。每个收发器宏分为发送和接收片，每个片包含在单个波分复用器通道上调制、发送、过滤和接收数据的必要组件。
在发射端（图 8），调制器驱动电路为微光调制器生成驱动波形，而闭环波分复用控制系统则保持微光与所需波长的一致。发射器采用改进的 "半脊 "调制器设计，与传统的脊调制器相比，具有更高的调制效率和热隔离性能。
图 7. 光收发器结构
图 8. 发射器端
接收器（图 9）包括用于放大和处理来自端口光电探测器的光电流的电路，以及用于将微波滤波器对准所需波长的闭环波分复用控制系统。
Figure 9. 接收器
测量结果
通过测量对 Shasta 的设计和性能进行了全面评估。发射机 IQ 误差校正电路成功地消除了驱动波形中的 IQ 误差，确保了精确的调制。光发射器的总误差为 -7.8 dB，在 32 Gbps 速率下，PRBS7 和 PRBS31 模式之间没有明显差异。
在接收器方面，输入光纤测得的光灵敏度中值为 -11.7 dBm OMA（光调制幅度），其中包括连接器、光纤附件、波导、微光下降损耗和光电探测器响应度造成的损耗。接收器电路摆动灵敏度的中值为 35 μApp，表明无差错运行所需的光电流摆动。
在同一芯片上的发射器和接收器之间进行的环回链路动态测试表明，在多种数据传输速率下，眼隙都很健康，甚至在 36 Gbps 时也能睁开眼睛（超出规格 12%）。在没有前向纠错（FEC）或纠错编码（ECC）的情况下，链路的误码率（BER）小于 10^-12。
在多波长双工链路测试中，Shasta 使用名为 SuperNova™ 的 8 端口 8 波长板载激光模块实现了 4 Tbps 的全双工链路吞吐量。在总共 16 个链路（每个方向 8 个）中，11 个链路在 10^15 比特以上的误差为零，而表现最差的链路误码率为 2.3e-14，10^-10 误码率的睁眼时间约为 0.25 UI。
功耗测量显示，发射器和接收器的总功耗为 126.7 mW，链路能效低于 4 pJ/b。时钟电路是最大的功耗源，而调谐功率则因微波加热器的功率输出而高度依赖于环境条件。
与其他工作的比较
就同时运行的波分复用信道数量和每根光纤实现的总数据传输速率而言，Shasta 是一项重大进步，同时保持了低于 10^-12 的本地误码率。此外，与其他最先进的光发射器和接收器相比，它的每个波长所需的激光功率最低。
表 1. 与其他工作的比较
结论
人工智能和 ML 等新兴计算应用对互连带宽的需求不断增长，因此迫切需要可扩展、高能效的非封装 I/O 解决方案。采用复位时接口的光 I/O 芯片利用 DWDM 和基于微光的链路等光子技术，为弥合封装内和封装外 I/O 互连差距提供了前景广阔的方法。
由 Ayar Labs设计和演示的 Shasta 重新定时光 I/O chiplet 展示了这种方法的潜力。
Shasta 实现了 4 Tbps 的全双工链路吞吐量，能效低于 4 pJ/b，为未来的高性能计算系统开辟了道路，使其能够高效处理人工智能和 ML 工作负载所需的海量数据流。
随着对互连带宽的需求不断增长，硅基光电子与芯片技术的集成将在实现芯片、封装和系统之间可扩展且高能效的数据传输方面发挥重要的作用。光 I/O 芯片是充分发挥光互连潜力，解决封装外 I/O 互连差距的重要一步。
参考文献
[1]Sun, C. (2024). Photonics for Die-to-Die Interconnects: Links and Optical I/O Chiplets in 2024 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC).
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