3D光电子集成技术实现超低功耗高带宽密度芯片数据互联

逍遥设计自动化

引言
  b4 w3 {# g" T2 @' m6 ?人工智能(AI)的快速发展对计算节点间的高速、低功耗数据通信提出了极高要求。AI芯片的计算能力已显著提升，但连接这些芯片的网络发展相对滞后，形成了重要瓶颈。本文介绍突破性解决方案，利用三维集成的光电子技术实现超低功耗、高带宽的芯片间通信[1]。

2istralqa4k64049168249.png

. }, s% d7 y4 V/ z6 H) h
1 M8 ?* f) B* y1
4 ]3 X7 Y3 V. G3 a8 L8 E  T技术挑战概述
/ C! {( d6 D# A3 C# f- [过去二十年中，芯片计算速度比通信带宽提升快一千倍。目前，数据传输的能耗比计算操作高出约100倍。这种差距制约着AI性能的提升。传统芯片间的电互连依赖厘米级长的导线，速度慢且能耗高。为克服这一限制，需要在芯片内部的紧凑区域内实现电信号到光信号的转换。
' f- F1 c7 T* J' z
  r7 l& f* G1 {% n* K& d5 G2
) |! o9 t3 e- C; v% ^3D集成的优势
6 E9 W% q7 j; ^3 @6 l

eloypnyvj2w64049168350.png

图1：完整展示3D集成光电收发器系统，包括(a)三维架构渲染图，(b)横截面材料堆叠图，(c)键合芯片的SEM图像，(d)PCB上的组装器件，(e)独立和集成芯片的显微图像。
2 I* t9 `1 D6 R& C
解决方案在于光电子芯片的三维集成。这种方法将先进的28nm CMOS电子芯片与包含光学器件的光电子芯片结合。电子芯片采用28nm CMOS工艺制造以实现最佳能效，而光电子芯片集成了基于硅的光学器件，如微环谐振调制器和光电探测器。
( a: ?6 Y$ l$ {4 Q  a: U+ B
两个芯片通过铜锡凸点键合，在2,304个连接阵列中实现了极小的15μm间距和10μm凸点直径。这种高密度集成在保持低电容的同时实现了空前的带宽密度。
0 x& b4 I# r: H# Q0 [6 i" |- L
3
核心技术组件

lkbqrbjf0dx64049168451.png

  C: r$ O% i/ E& l图2：全面的发射器表征，包括实验设置、电路示意图、光谱特性、谐振特性以及展示全部80个通道性能的眼图。
, V/ c. |% g$ z, \" _" r# [1 S
系统包含80个并行发射器单元和80个接收器单元，组织成20个波导总线，每个总线有4个波长通道。发射器单元使用微盘谐振调制器将电数据编码到光载波上。这些调制器在1V驱动摆幅下实现了每比特50飞焦焦耳的超低能耗。
7 _% |+ ]9 Z  X2 n' F( M

d2mgzz1p4rh64049168551.png

! x; p+ H6 v! n) W- b图3：完整的接收器表征，包括测试设置示意图、电路原理图、响应度测量、光谱和误码率测试结果。

接收器单元利用微环谐振器将特定波长滤波到锗光电二极管上，高效地将光信号转换回电流。接收电路在10吉比特每秒的速率下仅消耗70飞焦焦耳每比特就能放大这些信号。

; v0 a. ]* s2 X7 L$ g: N* E' d" b4
系统性能与影响
7 Q. O! n4 F. X7 w1 `

v0ldu0hhndb64049168651.png

图4：完整系统演示，包括(a)链路示意图，(b)光谱，(c)眼图，以及(d)所有通道的误码率测量。
* N8 B% t" X6 v) @1 `4 c6 V/ ^
  X$ |; E' h( w0 V系统实现了突破性的性能指标：
总能耗为每传输比特120飞焦焦耳
带宽密度达到每平方毫米5.3太比特每秒
: m5 Q: F6 b5 f1 T+ u) d" k总带宽800吉比特每秒
紧凑的占地面积仅0.32平方毫米
: y- c0 ~! |: ~2 N# s无错误运行，误码率低于10^-12
( H$ ~6 M+ F6 N! r  Q/ b0 t
与先前的技术相比，能效和带宽密度都提高了一倍。两种芯片都使用商业CMOS代工厂生产，具备规模化制造能力。

5
# K; G. B) d2 e, w' V2 K1 o应用前景与影响
; g9 W( X7 l0 B6 U这项技术通过消除数据位置限制，使AI计算达到新的水平。超高效的光链路使处理器能以最小的能耗实现远距离通信。这种能力可以通过以下方式改变计算架构：
通过光网络连接的分离式计算资源
显著提升分布式AI系统的规模
灵活分配内存和处理资源
针对AI工作负载优化的数据中心架构
+ j5 x/ r: P0 r9 F0 d5 M
* ~5 I6 L8 Q' ^7 G9 d) i7 O随着AI持续推动对计算能力的需求，这项芯片间通信的突破为未来扩展奠定了基础。超低能耗、高带宽密度和可制造性的结合使这种方法能有效解决AI系统发展中的根本挑战。

1 L* o4 t, k% c, C. W这项技术在AI之外也具有广泛影响，可能在高性能计算、电信和其他需要芯片间高带宽、高能效数据传输的应用中创造新范式。通过缩小计算和通信能力之间的差距，这项工作推动下一代计算系统的发展。
( ?2 g) v6 E. i4 F; V7 O
2 x% @8 z3 [( n+ y' ]% Q! n参考文献
[1]S. Daudlin et al., "3D photonics for ultra-low energy, high bandwidth-density chip data links," arXiv:2310.01615v1 [physics.optics], Oct. 2023.
- L1 |* {& u( G! o3 {$ y9 q: GEND
% H! N! k- ^1 a9 r: t
+ e( f4 ]# [- [- s) a/ k软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
点击左下角"阅读原文"马上申请
' {2 ]3 Z' J9 I  [% J9 q$ I$ j
: [) [+ Q, p/ f5 i  B& U欢迎转载

" X8 }- t! Z" u& e5 n转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！

  W" ^( o; z/ C
, I9 P, q3 E6 c/ u# j

zsxroiffy2f64049168751.gif

关注我们

, E/ q2 ]  ?7 \: j

; T% W, S. G) \, t siaklbt5p5a64049168851.png 4 }3 T" l1 ]2 g+ `' d+ @

ivbwkc2ztpp64049168951.png 8 }; _& ~" I4 w% v/ c9 e8 P

t0hl4h2ukr564049169051.png

                     


3 u/ ~/ E- z5 z6 g8 Z
关于我们：
) j, [* ~; ~  J# h$ |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。

, L3 a* l1 ?4 V3 @& [1 thttp://www.latitudeda.com/
（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）