光电共封装技术推动下一代人工智能和网络架构发展

逍遥设计自动化

引言
9 R7 V! h$ Q9 q# M0 O. s( L在人工智能和高性能计算快速发展的今天，对更快、更高效数据传输的需求不断增长。本文探讨光电共封装（CPO）技术的发展历程、当前状态，以及其在规模化网络和计算架构中的应用潜力。介绍这一技术面临的技术挑战、创新解决方案及其在实际应用中的表现[1]。

/ V0 Q8 B' \. i9 k9 q+ Z; ]光电共封装技术的必要性
随着数据传输速率不断提高，传统电子互连面临着重大挑战。串行器/解串器（SerDes）向200Gbps迁移的过程中，电气I/O传输距离的局限性日益凸显。
6 P: K1 _1 ]2 b3 N# ?4 [$ r" E+ V

y5w4kbh0u5m6409976215.png

# Q; U8 _9 [1 n图1展示了高数据速率下信号损耗的增加，说明了光电共封装与ASIC集成的必要性。

/ w, ^+ D, d! X9 }; [5 t, k6 l' b在这些高速率下，信号完整性成为主要问题，主要由于信号路径各个组件的损耗，包括：

ASIC通过基板的损耗

PCB走线长度损耗

过孔损耗

Paddle card损耗
: v) z  h2 i3 W+ E0 ^
4 t. ^  @$ f3 A$ W1 T' D. T5 H4 a5 A随着数据速率从53 Gbps增加到106 Gbps，甚至达到212 Gbps，这些损耗变得更加明显。图表清楚地显示了更高频率如何导致更大的信号衰减，使得通过电气互连维持可靠通信变得越来越困难。

这一挑战促使了光互连技术的发展，可以与ASIC共同封装，以克服这些限制并实现下一代高性能计算和网络系统。

光互连技术的演进
开发具有CPO功能的AI ASIC的历程是渐进的演变过程，从分立元件逐步发展到高度集成的解决方案。

nhpp0ayfzm56409976315.png

5bqsdb3keye6409976415.png

图2展示了从传统模块设计到硅基光电子Chiplet模块的发展过程。

传统模块设计：最初的方法使用分立的III-V族元件，在可扩展性方面存在工程和制造限制。

模块集成：提高规模的第一步涉及将组件集成到模块中，减小尺寸并提高制造性。

硅基光电子模块：在模块中引入硅基光电子Chiplet标志着重大进步，实现了更高的集成度和更好的可扩展性。

光电共封装：最后阶段涉及将光学组件直接附加到ASIC上，实现前所未有的集成度和性能水平。
[/ol]
这一演变导致了CPO的两个主要应用：
) `* H3 {6 M, y" j
5 Q& u, A7 z7 n

zzrytwsssqq6409976516.png

3 Z/ ?. u+ b% u8 z  a$ ]图3对比了用于规模化网络的CPO（>50Tbps连接到交换ASIC）和用于规模化计算的CPO（>6.4Tbps连接到GPU）。

用于规模化网络的CPO：将超过50Tbps的光学直接连接到交换ASIC。

用于规模化计算的CPO：将超过6.4Tbps的光学与GPU集成，用于高性能计算应用。
[/ol]
- m3 E# m- m0 B# ^% NBroadcom的CPO平台
Broadcom在CPO开发方面处于领先地位，创建了一个全面的平台，解决了高速、高密度光互连的挑战。
  l7 f! k8 M+ j
- T4 D8 _9 \$ z# |  ?) o8 o4 ^

qxlxrqockuq6409976616.png

' i0 D: U$ w% b+ A7 ?图4提供了Broadcom 51.2Tbps TH5交换CPO的示意图概览，展示了其关键组件。
: {& Q. r1 R) @: V& U- [1 p
1 Z0 ]" w. @  U, E+ sCPO平台的关键组件包括：
) G, I4 H2 P$ m9 K7 b6 ^

51.2Tbps TH5交换CPO，配备8个6.4T光学引擎

16个可插拔激光模块（可现场维修）

光纤Cable Assembly

前面板端口

I/O连接

CPO（光电共封装）

Broadcom FAU连接器

PLS盲插连接器（MPO）

9 e8 C7 }: @* f
7 Z, U! e- e% _" J. |7 I1 c

kaep0astv5m6409976716.png

图5突出显示了CPO的关键组件：光电子集成芯片（PIC）、电子集成线路（EIC）、先进封装和高密度光纤连接器。
+ j: g8 |) l. i4 v
CPO系统的核心包括：

光电子集成芯片（PIC）：包含用于光信号处理的调制器和光电二极管。

电子集成线路（EIC）：包括用于电信号处理的驱动器和跨阻放大器（TIA）。

先进封装：实现光学和电子组件的紧密集成。

高密度光纤连接器：便于连接外部光网络。
[/ol]

" F( h, L2 h0 u& Y8 b$ a使用CPO的规模化网络
Broadcom在实施CPO用于规模化网络应用方面取得了重大进展。让我们来看看两代交换系统：

- j/ _4 [( Z- z; J0 C- }第一代：TH4-Humboldt
, E" I/ U. u4 O) g7 ^8 X  N/ ~7 ^, R: g2 M

avmpcmsuhs46409976816.png

- W0 K2 ]+ u! x4 v  C3 R图6展示了TH4-Humboldt，Broadcom的第一代25.6T以太网交换机，部分实现了CPO。

- m" }( S* n2 @& Z. uTH4-Humboldt的主要特点包括：

25.6T以太网交换机

一半CPO，一半电气连接

四个3.2T光学引擎（32x100Gbps DR连接）

光学引擎：PIC与SiGe EIC键合

每个光学引擎包含约250个光学组件


* q- x* W+ ^4 w9 w( Q& n

0cbisbbttyw6409976917.png

1 p2 e7 W7 _3 S* V4 E& a- ^3 @图7说明了TH4-Humboldt设计中硅基光电子PIC、SiGe EIC和TSV（硅通孔）的集成。

第二代：TH5-Bailly

orlr4vbrlu26409977017.png

图8展示了TH5-Bailly，Broadcom的第二代51.2T以太网交换机，实现了全CPO连接。

TH5-Bailly代表了重大进步，具有以下特点：
5 H3 ?: k8 W8 Z4 m- {. U# T/ c/ Z0 f7 s9 s

51.2T以太网交换机

全光学CPO连接

八个6.4T光学引擎（64x100Gbps FR4连接）

光学引擎：PIC与CMOS EIC键合

每个光学引擎包含约1000个光学组件
7 h4 G) B* Q$ O. N) f
! o( P2 q5 y, z- D) I- @2 [
/ g8 w+ T1 T# r0 n9 H

fjz3bnm1hgg6409977117.png

+ m# Y5 q2 L) N图9显示了使用扇出晶圆级封装（FOWLP）技术改进的硅基光电子PIC与7nm CMOS EIC的集成。
: V2 I% y7 ~0 ~
+ |( s! G5 K$ JTH5-Bailly中使用的FOWLP技术实现了PIC到EIC键合的更好可扩展性，允许更高的密度和性能。
8 {6 m7 X. F- y$ |
性能和功耗效率
2 X+ y. \  e6 l$ ZTH5-Bailly展示了令人印象深刻的性能和功耗效率：
" X: f5 o) X6 q! r
' g& [( d: l3 R5 u/ L$ H7 t& Q, t

21fnm5r4zll6409977218.png

& @$ U1 M4 K/ H/ I图10显示了完全集成的51.2T交换机72个端口的FEC（前向错误纠正）尾部分布，显示了无错误操作。
% T; P; ]+ Q1 f. y! u
3 e! c! Z% k# s! X6 J2 B0 O) j图表显示FEC尾部快速衰减，表明所有端口都具有出色的信号完整性和错误纠正能力。
$ t% O: w1 G9 I- ]

qb3tntuhtr36409977318.png

图11比较了51T交换机盒中CPO和传统可插拔光学的功耗。
8 w& Y, K' d2 _% l% g. r
主要发现：
! \9 f; m1 t7 o+ H4 T8 L' E

使用Bailly CPO的光互连比传统可插拔光学消耗少70%的功率

使用Bailly CPO的总交换机盒功耗降低约30%

对于32k GPU集群，CPO可实现超过1MW的功耗节省
; l; u# e3 Z7 J$ p) t1 S) T
使用CPO的规模化计算
CPO技术不仅限于网络应用；对于规模化计算架构，特别是在人工智能和高性能计算领域，也具有巨大潜力。
  V8 ?' J  t. _3 T7 k% h

dwhrn31bzjg6409977418.png

' t, v0 G" c9 f- ?& E图12说明了具有CPO的计算ASIC，在2.5D多芯片封装中每个光学引擎具有6.4Tbps I/O带宽。

5 B& m8 ?- y6 m4 M这种先进的封装方法集成了：
* \5 C% P' n  a3 ~- U& M5 [1 {

计算ASIC

HBM（高带宽内存）

SerDes芯片

6.4T光学引擎Chiplet
% t  ~- A# t2 \2 K' Q# J9 _0 I& C& X
5 m' p" b$ }, u4 k; m& q在计算ASIC中使用CPO实现了：

更高的带宽密度

降低功耗

改善信号完整性

大型AI集群的可扩展性
( V5 X$ W$ [# j" |  d, [5 N
* y4 P  [- ?+ I5 [6 C$ y: N

uyxw340g0ov6409977518.png

图13显示了使用CPO的512个GPU全连接单级规模化架构。

$ W+ s. E" |" D/ b# B# r5 b这种架构展示了CPO实现大规模扩展领域的潜力：
, L, ~  j1 s2 Q3 F

单行连接中的512个GPU

光链路范围从5m到30m（单层）

64个高基数交换机

每个GPU通过CPO光学连接到所有64个交换机

未来发展和路线图
! X  X/ ]5 A, U随着CPO技术不断发展，我们可以期待密度和性能的进一步提高：

eap4distaua6409977618.png

1 g7 F. t* b2 |: ]  v% C图14展示了规模化光学Rooftop密度路线图，显示从2025年到2028年从12.8T到102.4T的发展。
& O/ W2 o+ w+ T/ S- |5 `, r
& l# l* a% p$ R5 n. z  Y路线图显示光互连密度快速增加：
- h4 c( ?6 S1 J% }2 o. ~8 T8 b

2025年：12.8T

2027年：51.2T

2028年：102.4T（发送+接收）
- @( [9 _) v/ e3 c& I
这一进展将在未来几年内实现更强大、更高效的AI和HPC系统。

7 }1 K: ?7 b& ~4 y9 g结论
# [5 k# J% A' {1 J5 ]5 |+ T光电共封装代表了光学和电子组件集成的重大进展，用于高性能计算和网络应用。通过克服传统电气互连的限制，CPO使更强大、更高效和可扩展的AI和数据中心应用系统的开发成为可能。
6 S" L% Y7 X( O; u/ R& d) i
- g- Y& D7 R2 u4 d正如我们在Broadcom从TH4-Humboldt到TH5-Bailly及以后的发展历程中所看到的，CPO技术正在快速发展，以满足现代计算不断增长的需求。先进封装技术（如FOWLP）的集成，以及光学引擎密度和性能的持续提高，为下一代AI和网络架构奠定了基础。

CPO的优势，包括降低功耗、改善信号完整性和提高带宽密度，使其成为应对网络和计算系统扩展挑战的关键技术。随着技术的不断成熟，我们可以期待看到更多创新应用和架构，利用集成光电子技术的力量推动高性能计算和AI世界的发展。
) Q7 u* G5 i3 {1 _/ |9 [% l
6 ^  e7 r) f! q; n/ x( {( S参考文献
[1] M. Mehta, "An AI Compute ASIC with Optical Attach to Enable Next Generation Scale-Up Architectures," Hot Chips 2024, Aug. 26, 2024.

$ ~, I; q# E) x& H+ D- END -
( H! ?; u' Y) E3 {. N2 W: s- J
6 @4 Y& F! }- {' ]/ e4 L- n8 a4 |( \
软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
点击左下角"阅读原文"马上申请
$ f8 t: g' i# |6 }5 H7 @0 O4 l
6 W& Z( `" z4 \" }* T欢迎转载

+ P" b. l4 [( s7 {. l  h转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！



8 v- s& U: x( e3 I$ |

tl2y5mxgkdz6409977718.gif

关注我们

ji4uymkena16409977818.png

3jpatpf4vcv6409977918.png

5t2mrkpsbym6409978018.png ; ]5 b( N" G  |& |

                     

, X" m, D# c4 W9 `3 l5 A2 U$ I6 h

关于我们：
深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
4 E$ Q- a* w2 [' C! [, y
http://www.latitudeda.com/
) _6 y6 R/ ~, S3 A（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）