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

逍遥设计自动化

简介
7 i% ]/ n! U. m: s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]。
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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。

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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
2 z/ n& B' C6 d/ v/ }, N3 ICo-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。
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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
3 d' @+ k& j  v, Y0 e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。
( Z9 j2 V& A* L4 A% I6 E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。
/ @% J" z7 ~' M+ b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
% C8 @. W) M; B7 ]+ A$ K, F; @" z4. 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）
; J, G5 v2 b  C0 A! r图3显示了带有shelf和透镜的光引擎。

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$ Z# h6 p: [8 f# u% @% |: o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。

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8 G( d7 x' U; I' g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
* V  {+ w* \/ L8 u图5和6分别显示了单通道和全通道操作的眼图。
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, i. M; n% s0 s5 @7 t3 [2 Y; z图5：单通道Tx性能

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/ A# R' S0 i- X/ [6 V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
2 T0 `7 o% t! x4 C2 m1 i7 \' a图7说明了接收器的误码率（BER）性能。

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! X1 ^, O! a4 N; \& z; A' H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。
2 ]- ?: \2 K  d, V& [/ k7 S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。
. Y1 N, a+ J7 e$ @; g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.
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