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IEEE ECTC2024|Broadcom用于51.2T CPO的高密度集成硅基光电子技术Chiplet

简介

在当今数据驱动的世界中，对高带宽、低延迟的数据中心连接需求急剧增长。传统的光学收发器模块难以跟上网络中硅技术的快速发展。本文探讨了创新解决方案：用于Co-Packaged Optics （CPO）的硅基光电子技术Chiplet的高密度集成，重点介绍了突破性的51.2Tb/s CPO交换机解决方案 [1]。

理解CPO的必要性

数据中心是数字基础设施的核心，每秒处理和传输大量数据。如图1所示，现代数据中心需要数百万个光学互连才能高效运行。

图1：数据中心扩展和光学互连需求的增加

传统的交换机盒使用可插拔的光学收发器模块，带来了几个挑战：

1.与交换芯片相比，密度扩展受限

2.由于电互连损耗导致高功耗

3.复杂性增加带来的可靠性问题

4.成本效率低下

Co-Packaged Optics通过将光学引擎直接与交换芯片集成来解决这些问题，如图2所示。

图2：带有外部激光源的集成光学引擎

Co-Packaged Optics的关键组件

硅基光电子技术Chiplet

硅基光电子技术Chiplet是CPO系统的核心。结合了：

光电子集成芯片（PIC）
CMOS电子集成电路（EIC）
光学复用器/解复用器

这些组件使用先进的封装技术堆叠，特别是带嵌入式芯片的双面扇出。

远程激光模块（RLMs）

RLMs为光引擎提供光源。在所描述的51.2Tb/s系统中，每个光引擎需要两个RLMs，每个RLM包含八个激光器。

交换芯片

交换芯片与光学引擎在同一基板上协同封装。这种近距离显着减少了高速信号的布线距离。

可拆卸光学连接器

该系统的重要创新是可拆卸光学连接器，它提供：

光纤间127μm的间距
可现场更换的光纤连接
与现有玻璃光纤阵列制造技术兼容
防尘设计，确保可靠运行

组装过程

CPO系统的组装涉及几个复杂的步骤：

1. 硅基光电子技术Chiplet制造：

将光学复用器/解复用器堆叠在光电子集成芯片上
使用铜柱连接CMOS EIC
进行晶圆级处理，包括模塑、研磨和重分布层（RDL）形成

2. 光引擎组装：

将光电子集成芯片键合到扇出晶圆上
将架子和I/O透镜安装到光电子集成芯片上
测试并选择已知良好的光学引擎

3. 与交换芯片协同封装：

使用批量回流工艺将8个光学引擎键合到基板上
匹配交换芯片凸点和硅基光电子技术Chiplet的间距，以实现高岸线带宽密度

4. 光学连接器组装：

安装可拆卸光学连接器
连接远程激光模块（RLMs）

图3显示了带有shelf和透镜的光引擎。

图3：带shelf和透镜的光引擎

图4显示了最终组装的CPO及其封装。

图4：装在SVK盒中的完全组装CPO，带有可拆卸光纤连接器组件

系统性能

51.2Tb/s CPO交换机解决方案包括八个光学引擎，每个能够处理6.4Tb/s（64个发送和64个接收通道，每个100Gb/s）。关键性能指标包括：

1. 发射器性能：

TDECQ（PAM4的发射机和色散眼图闭合）：单通道1.2dB，全64通道1.6dB（最大2.28dB）
消光比（ER）：通常4.3dB（最小3.6dB）
平均输出功率：通常3dBm

图5和6分别显示了单通道和全通道操作的眼图。

图5：单通道Tx性能

图6：64通道Tx性能

2. 接收器性能：

接收输入功率有10dB的动态余量
接收器灵敏度：约-6dBm

图7说明了接收器的误码率（BER）性能。

图7：CPO的接收器BER测试

CPO方法的优势

1.增加带宽密度： 通过将光引擎与交换芯片协同封装，该解决方案将标准25.6Tb/s解决方案的带宽翻倍，而不增加系统功耗。

2.提高能源效率： 交换芯片和光引擎之间的短互连长度导致非常低的插入损耗，将能源效率提高到<1pJ/bit。

3.可扩展性： 这种方法允许独立优化封装密度、每通道速度和每通道波长数。

4.成本效益高的制造： 利用成熟的半导体制造和封装工艺，实现批量生产和提高可靠性。

5.灵活性： 可拆卸光学连接器允许轻松的现场更换和维护。

未来展望

随着数据中心需求的持续增长，CPO技术有望进一步发展：

1.更高密度： 改进的封装技术可以导致更短的互连长度，进一步提高性能。

2.增加数据速率： 使用先进的CMOS技术实现更高的串行线路速率，如200Gb/s，在最小化所需电路面积的同时增加总吞吐量。

3.新兴技术的集成： 未来的迭代可能会结合新材料或结构，推动光通信性能的边界。

用于Co-Packaged Optics的硅基光电子技术Chiplet的高密度集成代表了数据中心网络技术的重大进展。通过解决传统光学收发器的局限性并利用硅基光电子技术的优势，这种方法为更高效、推进了可扩展和强大的数据中心架构，以满足数字世界不断增长的需求。

参考文献

[1]S. Kannan et al., "High Density Integration of Silicon Photonic Chiplets for 51.2T Co-packaged Optics," 2024 IEEE 74th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), 2024, pp. 81-84, doi: 10.1109/ECTC51529.2024.00022.