现代计算中铜互连的演进

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铜在计算中的基础作用
7 d0 h& s" P6 G. h) S, f2 j& u在计算技术不断发展的背景下，铜仍然是基础组件，但面临着新的挑战和适应性要求。本文探讨铜在计算基础设施中的现状和未来发展方向，重点关注其在带宽需求增加和新兴技术影响下的转变。
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铜自最早期的计算机开始就是互连的主要材料。铜受欢迎的原因包括：优良的导电性、相比金银等贵金属更具成本效益，以及相对较低的电阻。1990年代末期，铜替代铝用于晶体管连接是一个重要里程碑，通过40%更低的电阻实现了15%的性能提升。

5 u7 @* @/ q/ m& g- ]# M% R铜互连的可靠性和简单性使其成为计算基础设施中的默认选择。Marvell光电子技术执行副总裁Loi Nguyen博士强调："光电子技术的第一条规则是'能用铜实现的就用铜实现'"。这个原则多年来一直指导着行业对互连设计的方法[1]。

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9 q% X# v+ L3 `6 y6 ~" K  p图1展示了铜互连的使用

2 P2 |. A+ i$ ~9 J, C5 \带宽和传输距离的挑战
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图2展示了铜互连中带宽和传输距离的反比关系，说明数据传输速率增加会导致最大传输距离缩短。

尽管铜具有诸多优势，但由于电阻的固有限制面临着挑战。随着网络速度和带宽需求增加，热量产生和功耗问题变得更加显著。带宽和传输距离的关系遵循一个一致的规律：数据传输速率翻倍通常会使传输距离减少30-50%。这种限制导致在数据中心和电信网络中，超过5米的连接已经采用光电子技术取代铜。
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200G里程碑和SerDes演进
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. ]$ W- _3 b1 C2 ]9 n0 b4 q/ _# W3 |图3说明了SerDes技术从50G到200G的发展过程，突出显示了不同世代的时间线和实施情况。*
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; p1 ~7 R- q% A2 |2 h2 YSerDes（串行器/解串器）组件是现代网络基础设施的基本构建模块。目前的12.8T网络使用数百万个50G铜质和光学SerDes，每个400G线缆或模块包含八个SerDes单元。随着网络向51.2T能力演进，主要使用100G SerDes。到2027年，网络将开始采用200G SerDes，这标志着铜互连技术的关键转折点。

( C+ S# O, n! e# i3 Q$ v+ D延长传输距离的先进解决方案
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3 J$ l/ C" {8 d图4描述了有源电气线缆（AEC）架构，展示了光学DSP集成如何延长铜缆传输距离。

为解决铜互连的距离限制，行业开发了创新解决方案，如有源电气线缆（AEC）。这些线缆在端部集成了光学数字信号处理器（DSP）以放大和优化信号。例如，Marvell的Alaska A 1.6T PAM4 DSP用于AEC，在200G时可将传输距离延长三倍，在50G时可达到7米。

' R/ T5 U/ G0 c# @8 GPCIe演进和重定时器技术
' j- ^5 n; [' PPCIe连接面临与以太网类似的挑战，但运行条件不同。最新的PCIe重定时器技术，如Marvell的Alaska P，可将Gen 4 PCIe链路从8英寸延长到超过20英寸，而Gen 6 PCIe链路可从2.5英寸延长到约17英寸。这项进展使更大规模的系统设计和通过组件分布实现更好的散热管理。

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图5显示了云计算和AI服务器中PCIe重定时器的市场采用。
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" p; z: b. ~+ p未来发展和光电子集成

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图6展示了运行速度达到128GT/秒的最新PCIe Gen 7 SerDes技术。
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计算领域中铜的发展正在向结合传统铜互连和光电子技术的混合解决方案方向发展。台积电最近宣布加速开发硅基光电子解决方案的消息表明，到2028年，具有光电子功能的芯片市场规模可能达到5亿美元。这些发展有望实现30%或更多的功耗降低，但实施这些解决方案需要对AI芯片和计算架构进行重大重新设计。

光电子技术与铜互连的集成代表了实用的方法，在保持铜基解决方案实际优势的同时满足不断增长的带宽需求。随着计算系统继续发展，这种混合方法将在下一代高性能计算基础设施中发挥更大作用。

参考文献
[1] https://www.marvell.com/blogs/nine-things-to-remember-about-the-future-of-copper-in-computing.html?utm_source=li&utm_medium=blog&utm_campaign=copper-tech

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