AI时代对硅基光电子与CPO的需求

逍遥设计自动化

引言
在快速发展的人工智能领域中，高性能计算和数据传输的需求正迅速增长。本文探讨硅基光电子和光电共封装(CPO)如何革新互连技术以应对这些挑战[1]。
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" A% Y5 ]" y! |; k4 DAI基础设施
* j! K4 g" A! E# Y, z- v人工智能应用横跨多个领域，从科学研究、工业应用到消费产品。
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: K; ]( K3 z: G& D) A' }图1：AI的三个主要应用领域：科学研究（通过卫星图像表示）、工业应用（展示制造自动化）和消费者应用（显示AI驱动的设备）。

; O" t$ L: L/ t7 ]3 j支持AI系统的基础设施包含三个核心组件。第一，通过各种传感器和输入器件收集数据构成基础。第二，强大的数据传输系统确保信息高效流动。第三，高性能计算芯片和先进的存储系统处理和存储AI运算所需的海量数据。

传统互连技术的挑战
随着AI系统日益复杂，传统铜基互连面临显著限制。

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8 F- z7 R& M' u1 G$ T% a; y9 q图2：随着数据速率提升，铜基互连的局限性，显示更高速度需要更短的线缆长度，突出了电传输的物理约束。

  y+ D. c, s8 a/ U9 [1 N) r, B8 n! }. BAI系统不断增长的需求暴露了铜基互连固有的局限性。更高的数据速率要求更短的线缆长度，在系统设计中造成物理约束。传输速度提高导致功耗显著增加，同时信号完整性变得越来越难以维持。这些挑战推动行业向光学解决方案发展。
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1 S! e5 J: I. l( F& L- g  y# d光通信技术的兴起
/ J7 f. d5 T# P& j光通信技术应对了这些挑战。

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图3：光通信系统的基本组件，包括节点、电光转换、光纤和光电转换。

0 A! e- g; v$ j2 C7 W. F, `3 Q光通信系统展现了各个组件协调工作的精密配合。光源产生初始信号，调制器将数据编码到光载波上。光纤作为传输介质，相比铜线提供更高的带宽和传输距离。在接收端，光电检测器将光信号转换回电信号，信号处理线路提取传输的数据。

光模块技术
传统光模块在数据传输中发挥关键作用。

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4 Y( m) {1 `1 h% g" U9 m% n图4：各种光模块类型，包括QSFP28 100G和SFP28 25G模块，以及内部组件和光纤连接。
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4 p6 Y4 i2 B7 j. a8 Q5 S" J硅基光电子技术
硅基光电子技术代表了光通信技术的重大进步。
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3 u8 w3 [, [7 @7 p9 P图5：对比了传统光模块和硅基光电子模块，展示了通过硅基光电子技术实现的高度集成和微型化。
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1 ?- K/ E/ ?! T2 E# j在硅平台上集成光学组件标志着通信技术的进步。这种方法实现了空前的集成密度，同时降低了制造复杂度。采用标准半导体工艺保证了可扩展性，减少的组件数量降低了功耗。这些优势使硅基光电子特别适合下一代AI系统。

CPO技术发展
CPO代表了光互连技术的最新发展。
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& _+ W8 p9 Q3 D% W图6：对比了传统交换机架构与Broadcom的CPO解决方案，展示了尺寸和复杂度的显著减少。

CPO通过将光学和电子组件集成在单个封装中，将集成提升到新的水平。这种方法大幅减少了信号传输距离和功耗。紧密集成在保持系统可靠性的同时实现了更高性能。CPO代表了AI系统高速通信方法的根本转变。

供应链演进
产业格局正在演变以支持这些新技术。
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( `" b" Q8 R0 w图7：描绘了CPO系统的完整供应链，从IC设计到制造和Assembly。
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# B) B$ S- k' u& ~" _* m6 W先进互连技术的发展推动了产业供应链的显著变革。Marvell、Broadcom和NVIDIA等IC设计公司与英特尔、Global Foundry和台积电等硅基光电子制造商密切合作。封装专家和系统集成商在将这些复杂解决方案推向市场中发挥着关键作用。
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0 v- ~. K+ V. L; O9 E2 f6 W技术比较与未来展望
本文的最后部分研究了不同技术的比较优势。
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图8：展示了传统光模块、硅基光电子模块和CPO交换机在各个参数上的详细比较矩阵。

/ O% Y! F+ n; V: E7 L# S' w在AI互连技术发展中，每种技术都具有独特优势。传统模块受益于成熟的供应链和既定的制造工艺。硅基光电子模块提供增强的集成度和改进的效率。CPO提供最高的性能潜力，但面临更大的技术挑战。

. U7 U3 C) f! uAI系统互连技术的未来将继续发展。集成密度和功率效率会进一步提高，硅基光电子和CPO解决方案的采用将持续增加。这些进步将支持下一代AI系统，实现更快速、更高效和更强大的计算能力。

参考文献
% z. V# c/ @1 _[1] S. Lin, "AI时代对矽光子与CPO的需求 [The Demand for Silicon Photonics and CPO in the AI Era]," Capital Securities VVIP Report, Dec. 2024.
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