导言
在人工智能（AI）和 5G/6G 无线通信等应用的推动下，计算需求呈指数级增长，现有的电互连技术正遭遇根本性的限制。为了克服这些瓶颈，半导体行业正在转向集成光电子技术-将光学组件直接引入先进的 CMOS 工艺。将光子和电子技术结合到单个硅芯片上，可以释放出新的功能和架构，从而在计算、通信和传感应用领域实现下一波突破，在ISSCC2024论坛上，Ayar Labs共同创始人Vladimir Stojanovic教授发表了题为 ”Electronic-Photonic Systems-on-Chip for Compute, Communications and Sensing”[1]的报告，本文将概述其内容。
CMOS 硅基光电子技术
这些电子-光子系统的核心是能够在传统的 CMOS 工艺中直接制造高性能的光学组件，如微型环形谐振器。图 1 显示了在标准 CMOS 工艺流程中交错平面 PN 结形成谐振光微环的示例。这些高度紧凑（直径约 10μm）、高 Q 值（高达 20 万）的结构可用于调制、滤波和传感等多种功能。
先进 CMOS 工艺技术本身的创新是一个关键的推动因素。图 2 展示了 45 纳米 CMOS 工艺的演变过程，该工艺集成了各种光子功能，如锗光电探测器、硅部分蚀刻、用于波导的氮化物层和 V 形槽光纤耦合器，从而形成了一个单片集成的硅基光电子工艺平台，其运行性能与先进的纯 CMOS 晶体管相同。
图 1. 硅 CMOS 中的谐振光微环
图 2. 从Zero-change到 45 纳米标准工艺
应用和影响
1. 用于 AI/ML 扩展的数字光互连
集成光电子技术最具影响力的应用之一是解决互连瓶颈问题，以便在大型多芯片/多封装系统中扩展 AI/ML 工作负载。当这些模型的参数增长到数万亿时，当扩展到多个封装时，互连效率（计算时间与包括通信在内的总时间之比）会从 80% 以上下降到 60% 以下。
图 3. 互连限制了人工智能的扩展运行时间
Ayar Labs 的 TeraPHY 等硅基光电子芯片（图 4）提供了一种革命性的解决方案-将多波长光 I/O 接口直接集成到计算/存储芯片的封装中。每个 TeraPHY 芯片可通过 8 个端口和每个端口多达 16 个波长提供超过 4Tbps 的光 I/O 带宽（图 5）。这极大地提高了系统级吞吐量和效率。
图 4. 光 I/O 架构
图 5. 微环波分复用带宽扩展（Tx+Rx）
TeraPHY 芯片采用了颠覆性的新型封装方法（图 6），高带宽光 I/O 可以通过光纤和光连接器在封装外进行路由。与计算芯片共同封装的 SuperNova 多波长激光源为机架内、跨机架或与远程系统的通信提供光源，从而实现新的分布式计算架构。
图 6. 光 I/O 实现了分布式计算的完全物理分解
技术路线图（图 7）显示，通过利用先进的封装技术和按比例扩展的 CMOS 工艺，在未来十年内实现超过 250Tbps 封装外光 I/O 带宽的路径非常清晰。这为未来的人工智能架构提供了支持，例如 Nvidia 提出的拥有 100 万个节点的系统，其速度是目前 A100 系统的 100 倍（图 8）。
图 7. 带有光 I/O 的未来系统封装
图 8. 未来人工智能结构扩展： 节点数量增加 1000 倍，节点速度提高 100 倍
实现这一规模的关键创新是基于激光前向相干光链路的 SuperFabric 光互连架构（图 9、10）。这些链路采用新颖的相干检测方法和高分辨率快速光开关，为每个封装提供超过 100Tbps 的连接能力，并可快速重新配置。
图 9. 用于扩展 ML/AI 工作负载的 SuperFabric
图 10. SuperFabric 组件和功能
2. 模拟/射频光互连
除数字计算外，光子技术和电子技术的融合也为 6G/7G 无线和汽车雷达传感等应用带来了变革性的架构方法。在大规模多输入多输出（MIMO）无线电等系统中，可以利用基于微环的光互连的极高带宽和能效，将模拟/射频前端从数字后端分离出来（图 11、图 12）。
图 11. 超大规模 MIMO 6G+ 射频器件
图 12. 低功耗分解 Rus (DRU)
这种架构方法将基带处理器的数字光互连与分布式天线/雷达前端的模拟光链路相结合（图 13），大大降低了系统功耗和占地面积。图 14 和图 15 显示了使用直接由毫米波信号驱动的高性能微波调制器实现这种模拟光链路的示例。
图 16 着重显示了单个微波调制器的噪声和线性特性与激光功率和波长失谐的函数关系-确定了一种最佳工作机制，可满足蜂窝电话和汽车雷达应用的严格要求。最先进的原型已证明无杂散动态范围超过 95dB.Hz2/3（图 17），超过了 3GPP LTE 的要求。
图 13. RU 分解到传感器
图 14. 环形模拟毫米波光子电子传感阵列
图 15. 链路架构
图 16. 单环调制器线性建模
图 17. 最大 SFDR
3. 低温互连和传感
还有两个开创性应用利用了先进 CMOS 硅基光电子工艺的独特特性。首先是用于量子计算机等低温计算系统的光互连解决方案（图 18）。由于热负荷和布线的复杂性，传统的电气布线在大规模应用中很快就变得不切实际。
图 18. 低温计算机的互联也出现瓶颈（量子和经典）
加州大学伯克利分校的研究人员开发的相干超快反射链路（CURL）通过使用在低温下工作的先进 CMOS 电子设备（图 19、20）来驱动超小型微波调制器，将多波长可调谐激光反射回室温下的相干接收器（图 21、22），从而解决了问题。第一台原型机已经演示了 4K 和 300K 之间的多 Gbps 链路运行（图 23、24）。
图 19. 相干超快反射链路（CURL）
图 20. 45 纳米 SOI CMOS 低温性能
图 21. 用于 10Gbps 链路的 Cryo-TX 原型--亚阈值前置放大器
图 22. 用于 10Gbps 链路的 Cryo-TX 原型 - 微环谐振器调制器
图 23. 首次完整的 CURL 链路演示
图 24. CURL 链路性能
第二个突破性应用是利用微环谐振器的高灵敏度检测分子和病毒分析物的无标记光子生物传感技术（图 25）。通过将密集的微环阵列与微流体和电子器件进行单片集成（图 26），实现了高度多路复用的护理点传感，可扩展到可穿戴设备和植入式设备，用于个性化医疗保健应用。
图 25. 基于光电子技术的无标签分子生物传感器
图 26. 基于光电子技术的无标签分子生物传感器
结论
光电融合集成电子-光子系统有望通过创新的新型光子器件结构、链接架构、封装和系统级解决方案克服关键瓶颈，从而彻底改变计算、通信和传感技术。虽然该领域仍处于商业部署的早期阶段，但进展迅速，未来十年带宽密度、能效和应用范围的扩展路线图清晰可见。
参考文献
[1] V. Stojanović, "Electronic-Photonic Systems-on-Chip for Compute, Communications and Sensing," in IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), 2024.
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