GlobalFoundries VP Anthony Yu訪談紀(jì)要：光電共封裝的數(shù)據(jù)速率提升帶來(lái)可靠性挑戰(zhàn)

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
% I/ b5 l3 \" Q在EE World的一次獨(dú)家采訪中，GlobalFoundries的Anthony Yu深入探討了數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的快速發(fā)展，特別聚焦于光電共封裝和硅基光電子。隨著人工智能和大型語(yǔ)言模型推動(dòng)數(shù)據(jù)需求激增，半導(dǎo)體行業(yè)面臨著提高數(shù)據(jù)速率同時(shí)保持可靠性的新挑戰(zhàn)。


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Yu首先強(qiáng)調(diào)了過(guò)去一年行業(yè)發(fā)生的重大變化。人工智能和大型語(yǔ)言模型（LLMs）的興起創(chuàng)造了前所未有的數(shù)據(jù)處理和傳輸需求。在2024年光纖通信大會(huì)（OFC）上，業(yè)內(nèi)專(zhuān)業(yè)人士普遍感到迫切需要應(yīng)對(duì)Yu所說(shuō)的"即將到來(lái)的數(shù)據(jù)海嘯"。
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) G  }5 \5 y- R-數(shù)據(jù)需求的激增主要由LLMs日益增加的復(fù)雜性驅(qū)動(dòng)。Yu指出，像GPT-4這樣的模型估計(jì)有超過(guò)1.8萬(wàn)億個(gè)參數(shù)，需要海量的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)傳輸能力。為了說(shuō)明這一點(diǎn)，有預(yù)測(cè)認(rèn)為到2028年，數(shù)據(jù)中心投資將以24%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。
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目前，數(shù)據(jù)中心依賴(lài)可插拔光模塊連接服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。這些模塊通常安裝在服務(wù)器刀片的面板上，在發(fā)生故障時(shí)易于更換。訪談中提到的OSFP和QSFP-DD光模塊在當(dāng)前數(shù)據(jù)中心配置中常見(jiàn)。
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圖1：OSFP和QSFP-DD光模塊。這些在當(dāng)前數(shù)據(jù)中心配置中常用于高速數(shù)據(jù)傳輸。
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隨著數(shù)據(jù)速率超過(guò)每通道224 Gb/秒，從面板到板上交換ASIC的長(zhǎng)電氣連接開(kāi)始出現(xiàn)信號(hào)完整性問(wèn)題。Yu解釋說(shuō)，行業(yè)此前在較低速度下通過(guò)將光收發(fā)器的電纜連接切換到更靠近ASIC的點(diǎn)來(lái)緩解這些問(wèn)題。雖然這種方法有所幫助，但銅鏈接對(duì)于人工智能和LLM應(yīng)用所需的速度來(lái)說(shuō)仍然太長(zhǎng)，無(wú)法保持信號(hào)完整性。
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為了解決這些限制，行業(yè)正在向光電共封裝發(fā)展。這種創(chuàng)新方法將光引擎和交換硅集成到同一基板上，消除了信號(hào)需要穿越PCB的需求。光電共封裝利用硅基光電子技術(shù)，直接在器件上移動(dòng)光，進(jìn)一步減少電信號(hào)必須傳輸?shù)木嚯x。

* }% u: M: _' m. a: k: _Yu闡述了光電共封裝的概念："與在面板前部有一個(gè)通過(guò)銅連接連接到ASIC的可插拔收發(fā)器不同，光電共封裝將光學(xué)部分移到與ASIC相同的封裝上，使信號(hào)傳輸?shù)木嚯x非常短。"
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這種方法在能源效率和密度方面提供了顯著優(yōu)勢(shì)。Yu強(qiáng)調(diào)了推動(dòng)光電共封裝發(fā)展的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)：能源效率（以每比特皮焦耳計(jì)量）和密度（每平方毫米可以容納的帶寬量）。

Yu提到了數(shù)據(jù)中心機(jī)架中的Nvidia Blackwell GPU，說(shuō)明了人工智能和LLM應(yīng)用所需的高密度計(jì)算能力。

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圖2：數(shù)據(jù)中心機(jī)架中的nVidia Blackwell GPU。此圖說(shuō)明了人工智能和LLM應(yīng)用所需的高密度計(jì)算能力。
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& I+ [1 [' O" M. a光電共封裝在可靠性和維護(hù)方面也帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。與可輕松更換的可插拔模塊不同，光電共封裝集成在ASIC封裝中，使維修變得更復(fù)雜且潛在成本更高。

* ^$ H0 W& _+ m& |" T4 ]8 U. U/ P為了解決這個(gè)問(wèn)題，Yu透露業(yè)界正在開(kāi)發(fā)可拆卸連接的光電共封裝。這種方法將允許機(jī)械更換到芯片的光纖連接，而不會(huì)干擾ASIC本身。Yu解釋說(shuō)：“要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，我們需要極高的可靠性。這正是我們所有人努力的方向。光學(xué)部分仍需要能在現(xiàn)場(chǎng)更換，而不會(huì)干擾ASIC�！�
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GlobalFoundries的GF Fotonix工藝在實(shí)現(xiàn)光電共封裝方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。Yu描述了該工藝如何通過(guò)各種調(diào)制方案將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光子。一旦轉(zhuǎn)換為光子，數(shù)據(jù)就可以在芯片上移動(dòng)，并通過(guò)光纖電纜長(zhǎng)距離傳輸。

9 S0 H+ g9 L' n' Y) ?% c' R- i3 sYu詳細(xì)介紹了硅基光電子中使用的各種結(jié)構(gòu)，將其分為有源和無(wú)源組件。有源組件包括調(diào)制器（如馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器和微環(huán)諧振器）和用于將光子轉(zhuǎn)換回電信號(hào)的檢測(cè)器。無(wú)源組件包括用于低損耗光傳輸?shù)牟▽?dǎo)、用于分割信號(hào)的分光器、偏振操縱器和光束轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)。這些組件需要精確的圖案化和幾何結(jié)構(gòu)，以有效地在芯片內(nèi)操縱光信號(hào)。

- @4 o/ k4 B7 Z" i4 `* }隨著行業(yè)向更高集成度發(fā)展，封裝技術(shù)也在不斷演進(jìn)。Yu指出，目前最先進(jìn)的技術(shù)是2.5D異構(gòu)集成，其中芯片通過(guò)細(xì)間距銅柱連接到封裝上。然而，他預(yù)測(cè)在未來(lái)五到十年內(nèi)，將向3D集成轉(zhuǎn)變，這將在光電共封裝中普遍應(yīng)用。
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圖3：說(shuō)明光電共封裝概念的圖表。這顯示了ASIC和光引擎如何集成在同一封裝上，以提高信號(hào)完整性和性能。

隨著行業(yè)推動(dòng)更高的數(shù)據(jù)速率，OFC上的討論集中在800G、1.6T甚至6.4T配置上，硅基光電子必須適應(yīng)以支持這些不斷增加的帶寬需求。Yu解釋說(shuō)，GlobalFoundries使其客戶能夠使用線路拓?fù)鋪?lái)支持"光學(xué)擴(kuò)展"，通過(guò)粗波分復(fù)用（CWDM）和密集波分復(fù)用（DWDM）等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

這些方法允許在單根光纖上傳輸多個(gè)波長(zhǎng)，大大增加了帶寬密度。Yu提到一些客戶已經(jīng)在實(shí)施每根光纖八個(gè)波長(zhǎng)，這得益于他們硅基光電子工藝中的微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)。
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Anthony Yu的采訪提供了對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸未來(lái)的深入洞察。隨著人工智能和大型語(yǔ)言模型推動(dòng)數(shù)據(jù)處理和傳輸能力的空前需求，光電共封裝和硅基光電子正在成為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)。
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將光學(xué)組件直接集成到ASIC封裝中承諾顯著提高能源效率和帶寬密度。然而，這也在可靠性和維護(hù)方面帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，業(yè)界正在通過(guò)可拆卸光連接等創(chuàng)新積極解決這些問(wèn)題。
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參考來(lái)源
6 S, ~& m% K/ |4 Y* E; \[1] J. Doe, “Co-packaged optics: Higher data rates increase reliability risks,” 5G Technology World, Aug. 25, 2024. [Online]. Available: https://www.5gtechnologyworld.com/co-packaged-optics-higher-data-rates-increase-reliability-risks/. [Accessed: Aug. 26, 2024].

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