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
3 [& w" Z! H4 K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]。
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2 c5 s, _/ k" b. a# U技术挑战概述
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。
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0 W# z6 v! [2 h; G. a! b3D集成的优势
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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。
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( f: G  V5 r. [  t0 A. A+ B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。

) ?/ Q! X1 c2 C4 [7 k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。

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4 v1 J5 `4 ^7 x( w* a) \& L* I6 j: p核心技术组件

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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。
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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。
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$ B" z5 d& l% T! Y0 N) I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。

9 ?  @7 ~% p9 A. I$ ?6 r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。
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7 N1 }& X( T. J- g; L) c系统性能与影响

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1 O" b- f4 ^5 v% w# J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。

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
总带宽800吉比特每秒
紧凑的占地面积仅0.32平方毫米
无错误运行，误码率低于10^-12

8 V' \0 C  w! Y3 E$ ~6 A7 Q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。

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8 G- I: `( K4 x3 j应用前景与影响
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
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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。

& K7 d" o3 B" G% k3 I2 z4 k6 g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。

9 V, K! v' q5 m3 ~0 F8 O参考文献
) [2 k, U3 J/ J8 [3 b[1]S. Daudlin et al., "3D photonics for ultra-low energy, high bandwidth-density chip data links," arXiv:2310.01615v1 [physics.optics], Oct. 2023.
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