IEDM2024 | 光电共封装技术-数据中心互联的未来发展方向

逍遥设计自动化

数据移动的挑战
在现代计算系统中，数据移动比数据处理消耗更多的能量。随着数据中心和高性能计算设施规模不断扩大，这个问题变得更加突出。特别是在人工智能、机器学习和大数据应用领域，数据移动的能耗已经成为系统设计和运行的主要瓶颈[1]。
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( T4 H+ o2 v  T3 k/ r图1展示了芯片封装数据移动的高成本，显示了数据传输距离增加时能耗呈指数级增长。
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这个基本挑战源于电互连的固有限制。随着数据速率提高，通过铜线传输信号所需的能量呈指数增长，尤其是在超过几毫米的传输距离时。这种关系使得使用传统电互连在芯片、电路板和系统之间传输数据产生了严重的能耗问题。
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光互连技术的发展
* W! D3 a* Z2 l) |. Z4 ?光互连技术已经显示出解决这些挑战的优势。与电信号相比，光通信可以在更长距离内保持信号完整性，同时显著降低能耗。但是，传统的光学解决方案（通常以可插拔模块形式实现）在密度、能效和系统集成方面仍然面临限制。
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6 @  J3 u& @4 E图2展示了光学集成方法的演变，显示了从体积庞大的光学系统向高度集成的逻辑芯片近距离解决方案的转变。

光电共封装代表了光互连技术的新一代发展，将光学接口直接引入处理器或交换机封装中。这种紧密集成提供了多项优势。
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性能优势和系统影响
% I8 g' H/ E' q光电共封装的影响不仅限于节能。有效实施后，光电共封装可以在多个维度显著提升系统性能：
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图3展示了微软的链路指标，突出显示了带宽密度、能效和成本目标等关键参数。

+ c5 g' V4 v$ F4 \6 @. U, J' {# N在数据中心应用中，光电共封装技术的优势尤为明显：
功耗降低30-50%
/ l, q0 u. i3 w  h* u# Z* b带宽密度提高
' D& |/ d% o9 m1 w9 _3 R$ C. \数据传输延迟降低
! y: i1 F7 K: p' I! i$ a; x系统可扩展性提高
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行业应用现状
) x" O4 v1 G# C  o: |8 d光电共封装技术的转型已经开始，多个主要行业参与者正在进行重大投资。
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图4显示了腾讯/博通在2022年部署的光电共封装技术，标志着业界首个25.6Tbps光电共封装交换机现场部署。
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主要云服务提供商和硬件制造商越来越将光电共封装视为下一代系统的核心技术。该技术在人工智能和机器学习应用中表现特别出色，这些应用对数据移动的需求特别强烈。

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技术基础
" D2 o& ]5 b; b9 l' n4 M+ i" h+ Y光电共封装的实施依赖于几项关键技术创新：

先进封装技术：在单一封装中集成光学和电子器件需要复杂的封装技术，必须保持精确对准并管理热量和机械挑战。

硅基光电子：使用标准半导体工艺制造光学器件对实现光电共封装的商业化具有重大意义。

新型互连架构：光电共封装支持新的系统架构方法，可以更好地平衡计算和通信需求。
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发展趋势
* V2 ~  u$ u( F# P# K7 D随着数据中心需求持续增长，光电共封装在未来计算系统中的作用将越来越重要。行业预测显示，未来几年光电共封装技术将显著增长，特别是在高性能计算和人工智能应用领域。

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& F7 v8 M) {7 w+ W( @( G图5展示了Lightcounting对光电共封装应用的预测，显示了到2028年各应用领域的预期增长。
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2 n! s$ `: a6 P  f* V0 [光电共封装的技术路线图显示了向更高集成度和更好性能指标发展的明确趋势。未来发展将关注：
1 _& c6 O9 O; \0 L2 k6 @: z增加带宽密度
进一步降低功耗
) |2 i) z, W' f9 T; Q" Z; T加强与新兴计算架构的集成
提高可制造性和成本效益
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结论
光电共封装代表了计算系统数据移动方法的根本转变。通过将光学接口靠近处理单元，光电共封装解决了传统架构中日益突出的功耗和带宽密度问题。随着技术成熟和应用增加，光电共封装将成为未来计算基础设施的基石，支持下一代高性能计算系统和数据中心。
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光电共封装的广泛应用仍面临挑战和机遇。成功实施需要行业利益相关者之间的持续合作、持续的技术创新以及对系统级需求的细致考虑。然而，在性能、能效和可扩展性方面的潜在优势使光电共封装成为计算互连未来的有力解决方案。
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. p, Z* U( {, k6 p参考文献
6 J. H2 X  B" D* H[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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