光子学，下一代片上系统的新机遇！

光子盒研究院

光子技术利用光速实现快速、低功耗、大容量的数据传输。在多芯片系统中，大量数据需要在不同组件之间快速传输。考虑到这一点，利用光的优势是在提供快速数据传输的同时缓解散热和能耗问题的一种方法。

简而言之，对于高性能计算（HPC）和人工智能/机器学习等带宽密集型设计而言，铜互连消耗了太多的功率预算。光子集成电路克服了传统电子电路的一些限制，非常适合这一领域。

那么，将光子元件集成到多芯片系统中如何满足下一代芯片对带宽、能效和密度的更高要求呢？

纳米级晶体管的光子集成

传统数据中心的机架之间一直使用光纤连接（铜互连连接各种硬件组件）。然而，随着铜缆在更高带宽设计中的淘汰，越来越多的人倾向于在越来越短的距离内使用光纤连接。

到目前为止，光I/O已经在交换机、CPU和GPU等核心芯片中得到了验证，而光插层和芯片到芯片互连技术也在探索之中。甚至在几年前，光学元件还不是多芯片系统讨论的一部分，而今天，它们已经成为讨论的一部分。

由于光的特性，光子技术可以实现、扩展和增加数据传输。这正是计算密集型应用所需要的：提高带宽和速度，减少延迟和功耗。在高性能应用领域，由于带宽和功耗的限制，使用铜互连器件的成本越来越高。

用于计算密集型高性能计算应用的单片系统芯片在功能扩展和产量方面的局限性正在推动向多芯片系统的发展。多芯片系统可以采取分解的方式，即将大芯片分割成小芯片，以获得比单片芯片更高的系统产量和成本。多芯片系统也可以由不同工艺技术的芯片组成，通过组装实现最佳的系统功能和性能。不同的芯片水平互连或堆叠在2.5D或3D封装内。无论采用哪种方法，与大型单片系统芯片相比，这些复杂、相互依存的系统都能提供更高的带宽、超短的延迟、能效和尺寸优势。

光I/O芯片将硅光子学与电子元件结合在一起，可以在多芯片系统中提供更高的性能，而不会影响人工智能和其他下一代工作负载的功耗。

光子学平台的性能

下一步，我们将看到光互联支持多芯片系统中芯片之间的短距离连接，使组件能够更紧密地放置在一起，从而提高密度。在数据量达到TB甚至更高的情况下，与目前常用的硅插针相比，光互联可支持更低的能耗和更高的性能。

随着元件之间的距离不断缩短，带有小型硅芯片的有机内插器可能会被用来驱动电信号。如果这些芯片是由光学元件制成的呢？光链路和更高性能的电链路可以满足对更高芯片密度和带宽的持续需求。

目前正在研究或开发的两个关键应用将光子技术与多芯片系统结合在一起：CPU/GPU系统的光I/O，以及高带宽内存的光I/O（尤其适用于解决人工智能训练应用中的内存带宽缺口）。

采用65纳米体CMOS的单片电子光子平台

制造收发器本身的技术正开始向硅光子技术转移。例如，我们正在看到由硅驱动光连接的高速收发器。如果光链路可用于分解数据中心中的计算（提供高速且延迟极低的计算），那么这些应用中的连接数量也可以减少。

随着数据中心的不断发展，光芯片和I/O被放置在更靠近硅ASIC的位置，这是一个持续的趋势。按照这一趋势，我们最终可能会看到这些元件堆叠在三维封装内，以提供更高的密度和能效优势。

下一步，可插拔收发器（包括高速光收发器）可能会让位于协同封装光学器件，后者将电子和光子芯片结合在一起，以提高带宽容量并降低功耗。作为多芯片系统的一部分，共封装光学器件为平衡带宽、密度和能效需求提供了更强大的解决方案。

在激光驱动光子电路的情况下，“光电源”的集成成为一个关键挑战。需要解决的问题包括发热、可靠性、可维护性和成本。

集成激光器在缓解这些问题方面显示出优势。

设计和验证包含光子电路的多芯片系统面临着独特的挑战。传统的芯片设计流程必须加以调整，以考虑到从架构探索到签核和制造的相互依存关系。

对于任何包含共封装光学元件的设计，都必须同时模拟光学元件和电子元件，而不是孤立地进行模拟。

展望未来，如果没有光子学或多芯片系统，很难想象半导体的未来会是什么样子。随着我们的世界变得越来越智能和互联，对带宽的需求只会继续上升。通过光子学和多芯片系统（以及将两者结合起来的能力）等突破性创新，工程师们正在为新的创新奠定基础，这些创新必将改变我们的生活、工作和娱乐方式。

参考链接：

[1]https://semiengineering.com/shedding-more-light-on-photonics-for-multi-die-systems/

[2]https://www.synopsys.com/blogs/chip-design/photonic-integrated-circuits-multi-die-systems.html

[3]https://www.nature.com/articles/s41586-018-0028-z

相关阅读：

日本科学家成功证实多个光子间的“非福克态”

人工智能时代，看好硅光子！

“硅光子温度传感器”！用小型光子芯片制造功能强大的温度传感器

单光子如何“玩转”单原子？| 量子简史

Nat. Photonics：全新「光子芯片」有望实现光学无线通信

#光子盒视频号开通啦！你要的，这里全都有#

每周一到周五，我们都将与光子盒的新老朋友相聚在微信视频号，不见不散！

你可能会错过：