引言
高性能计算（HPC）正在快速发展，CPU和GPU的性能大约每两年翻一番。然而，这一进展正面临着一个重大挑战：连接壁垒。正如imec光I/O项目经理Filippo Ferraro指出的，每两年计算能力增加三倍，而互连带宽仅提高1.4倍。这种日益扩大的差距意味着数据传输路径，而非原始计算能力，正逐渐成为整体系统性能的限制因素[1]。
图1：imec光学I/O项目经理Filippo Ferraro。
为了解决这一连接瓶颈，研究人员和科技公司正转向硅基光电子作为潜在解决方案。imec正处于这一努力的前沿，开发一系列硅基光电子技术以支持当前和未来几代HPC系统。
硅基光电子的现状
imec目前的硅基光电子技术能够支持800Gbit/s和1.6Tbit/s（800G和1.6T）可插拔光学模块。这种性能水平足以满足当前系统的需求，预计还能支持下一代HPC。该技术利用了多种组件，包括：
高密度硅波导
光栅耦合器
边缘耦合器（用于光的输入/输出）
锗光电探测器
各种类型的调制器
这些组件协同工作，将电信号转换为光信号并向这些信号添加信息，实现高速数据传输。
未来的挑战和解决方案
当前的硅基光电子技术满足了即时需求，但imec的研究人员认为，在下一代HPC之后可能不足以满足需求。为了继续突破连接的界限，研究人员正在探索不同的材料和3D集成技术。
混合硅基光电子
通过混合硅基光电子，imec研究人员认为可以实现高达3.2T的可插拔光学模块。通过先进的异质结合技术可以实现进一步的改进。然而，要实现下一代可插拔光学收发器，需要两个关键的进展：
将通道速率从100或200 Gbits/s提高到400 Gbits/s
将能耗从20 pJ/bit降低到10 pJ/bit
铌酸锂调制器
实现这些目标的一个有望的途径是使用铌酸锂调制器。imec光学I/O项目总监Joris Van Campenhout解释说，基于硅的调制器无法在可接受的光损耗下扩展到所需的带宽。相反，铌酸锂调制器已经展示了远超100 GHz的调制带宽，这对支持高达400 Gbits/s的通道速率是必要的。
图2：imec光学I/O项目总监Joris Van Campenhout。
铌酸锂面临的挑战在于将其与硅基光电子晶圆集成。作为CMOS制造中的高污染材料，必须特别注意尽可能晚地在制造过程中添加。imec的研究人员正在探索微转移印刷技术(MTP)，这是在根特大学开发的一种技术，作为潜在的解决方案。允许在晶圆上单独准备铌酸锂模块器件，然后以可扩展、快速和可靠的方式转移到硅基光电子晶圆上。
光电共封装：范式转变
虽然可插拔光学在业界已经获得了牵引力，但在从主机IC到光学模块运行的通道数量方面面临限制。此外，长距离运行的电气通道会遭受损耗和干扰，影响信号质量并增加能耗。
为了解决这些问题，研究人员正在探索光电共封装作为替代方法。这种方法涉及在制造阶段将光学模块放置在主机IC或XPU旁边。虽然这种方法降低了灵活性，但提供了几个优势：
显著减少电气走线长度（从厘米级到毫米级甚至微米级）
降低RF损耗和功耗
由于RF损耗降低，能够添加更多通道
更高的互连密度
支持波长分复用，减少所需光纤量
光电共封装需要先进的3D封装技术，这是imec已经在电子组件领域开发的专业知识。
图3：imec 的晶圆级CPO
图4：imec 的interposer以及晶圆级光互连
未来的道路
与整个半导体市场相比，硅基光电子市场仍然相对较小，但正在增长。主要晶圆厂最近的公告引发了对快速扩展光连接的兴趣和需求增加。
imec计划继续专注于技术开发，以扩展可插拔和光电共封装光学。其努力分为两个方面：
通过在远后端添加新材料来延长现有硅基光电子平台的寿命，以实现更高的通道速率
利用为电子开发的先进3D封装技术，深度集成光电共封装
这些并行的活动流预计将在未来几年及以后满足行业的需求，帮助突破连接壁垒，实现下一代高性能计算系统。
參考來源
[1] P. Brans, "Imec: Breaking Connectivity Wall with Silicon Photonics and More," EE Times Europe, Sep. 6, 2024. [Online]. Available: https://www.eetimes.eu/imec-breaking-connectivity-wall-with-silicon-photonics-and-more/ [Accessed: Oct. 7, 2024].
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