IEDM2024 | CPO接口与首次实施-从概念到现实的发展历程

逍遥设计自动化

早期实施简介
光电共封装实施的发展代表了计算系统设计的重要里程碑。早期实施展示了这项变革性技术的潜力和挑战。2011年IBM的Blue Waters项目是最早且最重要的CPO实施之一，标志着该技术发展的关键时刻[1]。
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图1展示了IBM Blue Waters实施方案，显示了首次实现的光纤到芯片集成，包含200万个光学链路和microPOD并行光收发模块。
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6 {% L2 m3 M( z# f) @, ^这项突破性实施展示了光学接口与处理单元的直接集成，实现了显著的功耗降低。通过新型封装方案实现的带宽密度远超传统方法。该系统架构确立了许多基本原则，持续影响着现代CPO设计。

/ ?3 @+ e" }4 |7 d/ g% s: ^# b结构接口考虑因素
CPO的实施需要仔细考虑各种接口类型及其特性。
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( I2 a7 D1 x+ P9 a2 [* H, a图2说明了电气和光学链路结构，展示了传统电气链路与光学实施及其各自组件的对比。

/ v1 X1 I; h8 E* [接口结构包含芯片间通信的电气接口、集成的光发射和接收部分、复杂的信号调节和处理单元，以及物理耦合结构。这些组件通过精密协调工作，实现高性能数据传输并保持信号完整性。
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接口技术的演进

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) u* i$ d' v& N5 e. S图3展示了SerDes功耗随传输距离变化的关系
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现代实施采用了复杂的电气接口，在短距离内支持高速数据传输并保持信号完整性。光学器件的集成已从简单的边缘耦合设计发展到支持更高密度和更好制造性的光栅基解决方案。

IBM Power 775实施
IBM Power 775系统在CPO实施方面取得了进展，推动了光纤密度和集成的边界。
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图4显示了IBM Power 775系统实施，突出显示了每机架高达1,536个光缆的高密度光连接。

* Y, p  N$ Z, J这种实施展示了高密度光互连的实际部署，通过创新解决方案解决了集成挑战。系统成功展示了有效的热管理策略和全面的系统级设计考虑，影响了后续实施。
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; P. w! F: ?( Y接口标准与规范
" l4 a7 `& J/ c2 d接口标准的发展推动了CPO技术的广泛应用。
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图5展示了OIF针对不同接口类型的标准及其规范。
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; Y: {0 ?- w; x0 t: {6 k9 h当前的接口标准包含全面的信号完整性要求和详细的物理接口定义。功率和热限制的精确规定确保了可靠运行。基于广泛的实地经验和测试建立的可靠性规范，为未来实施提供了坚实基础。

近期实施案例
7 c& K; E7 `# s4 C# ?2 U" X现代CPO实施在借鉴早期经验的基础上引入了新的创新。

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图6展示了腾讯/博通在2022年的部署，展示了首个25.6-Tbps CPO交换机现场部署。
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9 y, y' m' A- O1 c) Y; z这些近期实施在集成密度和功率效率方面取得了显著进展。提高的可靠性指标展示了技术的成熟度，更好的制造可扩展性使广泛应用更加可行。每个新的实施都为未来设计和改进提供了宝贵经验。
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技术实施挑战
CPO系统的实施需要通过创新解决方案应对多项技术挑战。

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! f( n9 |4 g/ R& R) w( N图7说明了SerDes在多种互连类型中面临的挑战和解决方案。
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) D1 G& ~2 S9 T" I: S高密度光学实施中的热管理需要复杂的冷却策略。不同接口类型的信号完整性需要精心设计和验证。制造对准公差必须通过先进工艺技术精确控制。系统可靠性和可维护性考虑影响着每个设计环节。
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+ ?2 h" p) ?1 h5 A6 P, ^制造和组装考虑因素
CPO的成功实施需要关注制造和组装工艺。
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图8展示了共封装电缆的组装和实施技术。

精确对准要求推动了专用组装设备和工艺的发展。工艺控制方法确保了高产量生产的一致质量。质量保证技术已经发展出应对光学集成独特挑战的方法。随着制造经验的积累，良率优化策略持续改进。

未来实施方向
CPO实施的未来发展受新兴技术能力和市场需求的影响。

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图9呈现了未来实施的异构视图，展示了各种集成方法。
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! K# u6 q: Z! ^' G先进的集成技术实现了新的功能和性能水平。新材料和工艺扩展了光学集成的可能性。增强的自动化能力提高了制造一致性并降低了成本。改进的测试方法在支持更高产量的同时确保了可靠性。

性能指标与成就
近期实施相比传统方法取得了显著的性能提升。

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! |! U9 s; P1 O! l, J' Z/ f图10显示了链路性能指标与距离和用途的关系。

# N  e/ |- n- F) S带宽密度通过改进的集成技术显著提高。功率效率通过创新设计方法持续提升。通过复杂的信号调节保持了更高数据速率下的信号完整性。系统可靠性已通过广泛的现场部署得到验证。

! u; R$ v( ~' O4 f8 a结论
CPO的实施从早期概念发展到实际部署取得了显著进展。每一代实施都带来了新的见解和改进，形成了现今的复杂解决方案。随着技术不断成熟，实施变得更加精细，提供了更好的性能、可靠性和可制造性。

; F0 p  @4 A: x, S+ k. W: W从早期实施到现有解决方案的历程展示了CPO技术的挑战和机遇。未来实施将在先进制造能力和不断增长的市场需求的推动下，继续提升性能和集成水平。
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  e) h2 Y9 j  X( X# S4 _. P近期实施的成功为CPO方法提供了有力验证，同时也指出了需要继续改进的领域。随着技术生态系统的持续发展，新的实施策略将不断涌现，进一步提升CPO在计算系统中的能力和应用。

参考文献
[1] C. Schow, "Co-Packaged Photonics for Improved Energy Efficiency and Performance of AI Applications," in IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), Tutorial 3, San Francisco, CA, USA, Dec. 2024, pp. 1-62.
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1 M: P* X0 S- J0 @+ B; I6 j" b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。
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