IEDM2024 | 光电共封装技术的挑战、解决方案和未来方向

逍遥设计自动化

当前状态概述
光电共封装已成为计算系统中的变革性技术，特别是在解决数据移动和能源效率方面的日益增长的挑战。自最初概念化以来，该技术已取得显著进展，但仍需要持续关注几个关键方面[1]。
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2 s' w# Z+ ?& b6 y* r4 b图1展示了"回到Blackwell"架构，展示了CPO在现代高性能计算系统中的集成。
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CPO实施的当前状态在技术能力和实际部署方面都显示出显著进展。特别是，近期的实施在高性能计算环境中展示了成功的集成，在带宽密度和能源效率方面实现了重要提升。

' y+ \8 Z- Y1 J" }6 D+ B; v技术成就和待解决的挑战

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图2说明了"链路性能与距离和用途的关系"，展示了不同互连技术及其性能特征之间的关系。
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1 L- k- h2 N( e6 G- QCPO的技术格局已经发展到同时解决多个性能指标的程度。现代实施在几个关键领域取得了令人印象深刻的成果。在保持高带宽的同时维持各种距离的信号完整性的能力特别值得注意。然而，在热管理和制造可扩展性等领域仍然存在挑战。

& b7 T2 I/ v! \市场反应和行业采用
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) ~" F. s- h1 O, ^图3显示了CPO技术到2028年的市场采用趋势和预测。
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行业对CPO技术的反应谨慎但积极。初步部署为实际实施挑战和收益提供了宝贵经验。市场对CPO优势最明显解决系统设计和运行关键问题的应用表现出特别兴趣。
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. W9 L1 W1 b& c* M2 `制造和集成进展
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图4展示了CPO实施的关键集成和封装方法
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9 F" L" _9 ^& U% z# ~制造能力已显著提升，实现了更复杂的集成方法。工艺控制和良率管理已有改进，但仍需继续发展。集成策略已经发展到同时满足技术要求和实际制造限制的水平。

+ S+ B) G3 f# C7 P标准化和生态系统发展

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8 x2 V5 l5 L* b2 H: K图5展示了光互连行业标准的演进。
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标准和规范的制定在推进CPO技术方面发挥了重要作用。行业合作促进了规范的不断完善，在性能要求和实际实施考虑之间取得平衡。生态系统持续成熟，支持更多样化的应用和实施方法。

能效考虑

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图6显示了不同实施方法及其能效特性之间的关系。

7 A; e9 b4 y; w! l; P0 i  v9 z能效仍然是推动CPO采用的主要因素。与传统方法相比，近期实施在功耗方面展现了显著改进。在保持或提高性能的同时降低能源使用的能力持续推动CPO设计和实施的创新。
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2 _4 L6 |- D5 u% _* L与新兴技术的集成
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6 ^7 k' f- U1 s9 Y' c图7说明了CPO与各种新兴计算架构的集成。
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CPO与新兴计算架构的关系既带来机遇也带来挑战。与人工智能加速器和专用计算引擎的集成显示出特别的优势。这些应用通常能最直接地受益于CPO技术提供的优势。

# N( T4 p1 n3 h5 d成本和价值主张
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图8包含了CPO成本指标。

# I' I+ Z5 I8 Y. I9 F9 m1 P) |CPO实施的经济方面持续发展。虽然初始成本仍是一个考虑因素，但随着实施经验的增长，价值主张已经增强。在特定应用场景中，总拥有成本分析越来越倾向于支持CPO。

) [6 D7 \4 N& k6 ~- |结论
CPO技术的发展和实施代表了计算系统设计的重要进展。虽然在实施的各个方面仍然存在挑战，但技术的基本优势继续推动在适当应用中的采用。技术进步、生态系统发展和实际实施经验的结合为持续进步提供了坚实基础。需要持续关注解决剩余的技术挑战，同时保持实际可制造性。更广泛采用的成功将取决于在性能进步和实施实用性之间取得适当平衡。随着技术经验的积累，许多当前的挑战可能找到有效的解决方案，有望加快未来实施中的采用。

) ^9 K; K: ~% V% I0 X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, Dec. 2024.

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