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光纖傳輸信號(hào)的速度和效率都優(yōu)于銅線，因此成為全球電信網(wǎng)絡(luò)的首選材料。在較短距離的傳輸中——例如機(jī)架之間或數(shù)據(jù)中心的電路板之間——設(shè)計(jì)人員希望縮小光器件的體積，以充分發(fā)揮光纖的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

人工智能工作負(fù)載與其他高性能計(jì)算工作負(fù)載的不同之處在于其所需的數(shù)據(jù)傳輸量。LLM 查詢(xún)?cè)诮K端用戶(hù)和數(shù)據(jù)中心之間傳輸?shù)男畔⒘靠赡芘c傳統(tǒng)搜索查詢(xún)相同（“南北向流量”），但它需要在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部進(jìn)行更多的數(shù)據(jù)傳輸（“東西向流量”）。GPU 集群以及單個(gè) GPU 都會(huì)對(duì)非常大的數(shù)據(jù)數(shù)組執(zhí)行相對(duì)簡(jiǎn)單的乘法和加法運(yùn)算。但所需的帶寬限制了整體性能，并且是功耗的主要來(lái)源。

去年被 AMD 收購(gòu)的硅光子學(xué)初創(chuàng)公司 Enosemi 在一份白皮書(shū)中估計(jì)，領(lǐng)先的高性能 ASIC 芯片將高達(dá)一半的總功耗用于數(shù)據(jù)傳輸。

GlobalFoundries首席商務(wù)官M(fèi)ike Hogan指出，有四個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)決定互連效率：

• 有效距離，即信號(hào)無(wú)需放大即可傳播的距離；

• 帶寬密度，以每面積比特?cái)?shù)衡量；

• 能量效率，以每單位能量的比特?cái)?shù)來(lái)衡量，

• 計(jì)算效率，即計(jì)算資源的總體利用率。

在短距離傳輸中，光器件相對(duì)較大的尺寸限制了帶寬密度。為了充分發(fā)揮光子互連的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，光器件及其連接的電子電路都需要縮小尺寸。

為此，設(shè)計(jì)人員正在考慮三種可能的解決方案。第一種是可插拔組件，這種組件尺寸相對(duì)較大，模塊化設(shè)計(jì)，易于集成。但由于其尺寸較大，需要較長(zhǎng)的連接線才能連接到控制電子元件?？刹灏谓M件最適合用于電路板之間、機(jī)架之間或數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的連接。

其次是共封裝光學(xué)器件（CPO），顧名思義，它將分立的光學(xué)元件與電子控制電路集成在一起，通常通過(guò)引線鍵合連接。第三種是光輸入/輸出（OIO）模塊，它將光學(xué)和電子集成電路集成到一個(gè)單元中，使其能夠像單個(gè)器件一樣高效運(yùn)行。

光子互連的基本組成單元無(wú)論尺寸大小都很簡(jiǎn)單。首先，它們需要一個(gè)光源。在數(shù)據(jù)中心級(jí)別的距離上，這通常是磷化銦二極管激光器。激光器本身的特性決定了它們必須比無(wú)源光學(xué)元件承受更高的電流和溫度，因此它們很可能是光子電路中最不可靠的元件。對(duì)于集成模塊而言，在封裝前識(shí)別出已知性能良好的激光器至關(guān)重要。但可插拔元件的一大優(yōu)勢(shì)在于能夠輕松更換故障激光器。

調(diào)制器將激光器的連續(xù)發(fā)射信號(hào)分解成數(shù)據(jù)比特流。調(diào)制器還決定了數(shù)據(jù)傳輸速率。根據(jù)imec公司的Joris Van Campenhout在12月IEEE電子器件會(huì)議上發(fā)表的研究成果，目前，鈮酸鋰（LiNbO?）等材料可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)100 GHz的帶寬，并具有高效率和低損耗。然而，它們體積較大且存在鋰污染的風(fēng)險(xiǎn)，因此不適合與硅直接集成。

新加坡的研究人員利用微轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)將圖案化的鈮酸鋰調(diào)制器轉(zhuǎn)移到硅襯底上。[3] 微轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)使用PDMS印章將單個(gè)器件從生長(zhǎng)晶圓上拾取并放置到目標(biāo)襯底上，從而避免了直接在硅上生長(zhǎng)所帶來(lái)的污染風(fēng)險(xiǎn)。然而，CPO和OIO應(yīng)用通常還是會(huì)選擇硅諧振器。硅諧振器利用加熱器來(lái)調(diào)節(jié)摻雜硅環(huán)的折射率。

NLM Photonics 首席執(zhí)行官 Brad Booth 指出，硅并非一種高效的調(diào)制器。目前，人們?nèi)栽趯ふ姨娲桨浮LM 的解決方案是將一種發(fā)色團(tuán)嵌入到小分子有機(jī)玻璃中。通過(guò)加工工藝，可以排列發(fā)色團(tuán)的偶極子，并通過(guò)相鄰的硅組件進(jìn)行切換。

調(diào)制器完成調(diào)制后，信號(hào)通過(guò)波導(dǎo)傳播至光電探測(cè)器。在目標(biāo)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，硅是一種優(yōu)異的低損耗波導(dǎo)材料。集成模塊（包括CPO和OIO）均采用硅或有機(jī)中介層，其中可能包含光子元件。鍺是理想的光電探測(cè)器材料。

最后，電路需要某種形式的耦合，將光從激光器傳輸?shù)讲▽?dǎo)，再?gòu)牟▽?dǎo)傳輸?shù)焦怆娞綔y(cè)器。耦合器負(fù)責(zé)在折射率不同的材料之間傳輸光，值得注意的是，耦合損耗可能占整個(gè)系統(tǒng)損耗的很大一部分。根據(jù)具體情況，耦合器可以簡(jiǎn)單地將光纖靠近光源，使用聚合物來(lái)跨越間隙，或者采用其他多種替代方案。無(wú)論采用何種設(shè)計(jì)，耦合都不應(yīng)引入光學(xué)缺陷，并且應(yīng)提供折射率的漸變過(guò)渡。漢陽(yáng)大學(xué)的 Keuntae Baek 及其同事撰寫(xiě)的一篇綜述詳細(xì)討論了耦合問(wèn)題。

雖然這些基本單元構(gòu)成了一條端到端的光路，但它們本身并不“智能”。光路仍然需要控制電子設(shè)備來(lái)操作調(diào)制器、處理來(lái)自光電探測(cè)器的信號(hào)等等。設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)縮短控制電子設(shè)備與光學(xué)元件之間的距離來(lái)提高性能并降低功耗。

電光集成

縮短互連距離是異構(gòu)集成的總體目標(biāo)。集成光學(xué)器件遇到的許多問(wèn)題也適用于其他類(lèi)型的先進(jìn)封裝。異構(gòu)封裝中的各個(gè)組件通常采用成熟的技術(shù)。真正的挑戰(zhàn)在于如何以經(jīng)濟(jì)高效的方式將它們連接起來(lái)。

將電子元件和光學(xué)元件結(jié)合起來(lái)也帶來(lái)了一些新的問(wèn)題。例如，CEA-Leti 的研究人員將波導(dǎo)和其他硅光子元件嵌入到硅中介層中。這種中介層需要一條通往其表面激光器和光電探測(cè)器的光路。它還需要硅通孔來(lái)連接調(diào)制器，并且可能還需要連接到封裝底部。

但這些元件產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致光學(xué)畸變，進(jìn)而造成光損耗，因此，中介層和組合封裝的設(shè)計(jì)工具必須能夠模擬熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力帶來(lái)的光學(xué)和電學(xué)效應(yīng)?！拔覀儽仨氈贫ㄗ约旱脑O(shè)計(jì)規(guī)則來(lái)混合使用光學(xué)和電子元件，”研發(fā)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Jean Charbonnier指出。

對(duì)于調(diào)制器而言，加熱器控制諧振頻率。該研究小組通過(guò)對(duì)加熱器進(jìn)行熱隔離，節(jié)省了大量能源。

此外，還會(huì)出現(xiàn)其他問(wèn)題。雖然光電探測(cè)器所需的鍺可以直接在硅上生長(zhǎng)，但它們所需的厚鍺層與先進(jìn)晶體管中使用的薄硅鍺納米片無(wú)法相提并論。在這種應(yīng)用中，外延鍺沉積可能占到整個(gè)電路成本的 40%。

在研究應(yīng)用中，磷化銦激光器通常單獨(dú)生長(zhǎng)，然后通過(guò)微轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)轉(zhuǎn)移到中介層上。一次處理少量激光器可提供最大的靈活性，并有助于確保只轉(zhuǎn)移已知性能良好的激光器。對(duì)于商業(yè)規(guī)模的集成，NTT 的 S. Matsuo 及其同事展示了將 InP 晶圓鍵合到硅晶圓上，然后原位生長(zhǎng) InGaAsP 激光器。

電路的電子部分可以在傳統(tǒng)的CMOS晶圓廠制造，并通過(guò)銅混合鍵合技術(shù)連接到中介層。同樣，這里也需要考慮光學(xué)元件所受到的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。

盡管要開(kāi)發(fā)出能夠隨著硅電路擴(kuò)展而擴(kuò)展的全集成光子互連技術(shù)仍有許多工作要做，但對(duì)于最終目標(biāo)卻鮮有爭(zhēng)議?！坝?jì)算設(shè)備供應(yīng)商、網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)導(dǎo)者和硅芯片供應(yīng)商之間有著高度共識(shí)，”霍根表示，“擴(kuò)展東西向流量需要光互連?！?/p>

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