FPGA首次集成光子芯片，即將送樣

高性能計算需要高性能I/O。一段時間以來，業(yè)界一直在努力改進高帶寬的遠程解決方案。去年Intel和Xilinx都推出了56G I/O的FPGA。長距離112G SerDes PHY已經(jīng)公布，隨著即將推出的5納米節(jié)點的出現(xiàn)，狀態(tài)可能會更好。再往前看，超過112G的行業(yè)路線圖充滿了不確定性。對于跨度幾十米或更長的距離，將使用光通信代替電信號通信。不幸的是，這些產(chǎn)品往往是反向相關的。距離物理裸片越遠，傳輸?shù)某杀揪驮礁摺Ｍ瑯?，較高的數(shù)據(jù)傳輸速率通常會犧牲密度，因此單片硅光子芯片被視為信息處理的更好的解決方案。

在過去的十年中，大量實現(xiàn)高集成度的方法被大量商業(yè)引入。諸如TSMC CoWoS和Samsung I-Cube之類的硅中介層以及諸如Intel的EMIB，這些封裝技術可將多個管芯緊密地集成在同一芯片上。市場上的首批產(chǎn)品通過將DRAM芯片直接封裝在CPU旁邊，從而提高了帶寬并降低了功耗，進而實現(xiàn)了高帶寬DRAM。除了內存之外，還需要付出巨大的努力來支持將多個利基用途的芯片（在這種情況下更合適地稱為小芯片）結合在一起在封裝上，以增強芯片的功能。盡管今天，大多數(shù)基于小芯片的設計僅涉及自己開發(fā)的小芯片，未來的設計可能會合并多個公司的裸片。此類工作中最早的就是英特爾的Stratix 10 FPGA系列，該系列由包含多個AIB鏈接的單片F(xiàn)PGA芯片組成。英特爾能夠提供多種具有不同功能的小芯片。最近，OCP宣布成立自己的工作組，以推動整個行業(yè)的小芯片標準。

Ayar Labs是一家位于加利福尼亞州的硅光子學初創(chuàng)公司。該公司在A輪融資中籌集了2400萬美元。Ayar采取了不尋常的方法來追求處理器市場而不是網(wǎng)絡。他們的前提很簡單–將光學器件盡可能靠近計算芯片，以實現(xiàn)更好的帶寬和能效。換句話說，要實現(xiàn)近乎單片的光子集成，獲得與其他封裝組件相當?shù)拿勘忍貍鬏斈芰啃?，同時實現(xiàn)可以跨越幾十到幾百米的遠程通信。

TeraPHY

Terabit PHY，簡稱TeraPHY，是Ayar實驗室的第一款產(chǎn)品。這是一個原型光子學芯片，它被設計成與CPU、GPU或FPGA一起集成在包中的系統(tǒng)中。re只是一個小問題——光學和電子并不完全相互通信。秘訣是什么?Ayar的設計利用了GlobalFoundries的45nm RF SOI(絕緣體上的射頻硅)工藝，該工藝允許他們開發(fā)集成光學元件和光學器件周圍的復雜電路的單片集成設計。簡而言之：這使他們可以在一側提供電氣I / O接口，在另一側提供光接口。

英特爾已經(jīng)開發(fā)了一個廣泛的芯片架構圍繞其層10 FPGA家族。但所有這些芯片都是內部研發(fā)的。好消息是，該架構使用AIB接口在主FPGA芯片和各種芯片之間進行通信。作為DARPA ERI項目的一部分，該接口也被作為開放標準開放，因此它不再是英特爾或EMIB的專利。Stratix 10多芯片體系結構使其本身具有TeraPHY提供的功能——用TeraPHY小芯片替換掉一個電子收發(fā)器模塊，只要接口是兼容的，就可以了。這是Ayar Labs選定的路線。

電信號接口

對于TeraPHY，Ayar集成了AIB接口的24個通道。實際上，每列允許的最大通道數(shù)為24個通道（以及AUX塊）。每個通道代表一組信號。在當前的凸點間距為55微米時，這意味著二十個發(fā)送數(shù)據(jù)信號和二十個接收數(shù)據(jù)信號。其運行速度高達2GT/ s。Ayar說，對于他們的TeraPHY小芯片，總接口帶寬為960Gbps，這表明他們使用的是1GT/s AIB基本規(guī)格，而不是2GT/s AIB Plus規(guī)格。

由于AIB接口使用的凸點間距很小，因此可以在硅上使用。在Stratix 10案例中，這意味著使用英特爾的EMIB技術。在下面未完成的封裝中，大型Stratix 10 FPGA芯片的右側有兩個TeraPHY小芯片。

EMIB的位置在所有管芯的邊緣清晰可見。請注意，F(xiàn)PGA的另一端可能還有其他小芯片。

光信號I/F

位于AIB接口和光接口之間的是可配置的交叉膠連邏輯，該邏輯將AIB通道映射到光通道。交叉開關允許一對多連接。單個電信號通道可以通過多個光接口發(fā)送，反之亦然。TeraPHY小芯片集成了十個光子宏對，一個宏用于發(fā)送，一個宏用于接收。

芯片內的光穿過波導。由于光的特性，多種波長的光可以沿著同一波導傳播而不會互相干擾。波分復用（WDM）技術用于將多個這樣的波長引入到波導中，以增加可以在同一光纖鏈路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。為了實現(xiàn)這一目標，Ayar在同一波導上使用了多個微環(huán)形諧振器，使用來自波導的不同波長將數(shù)據(jù)與光或電進行數(shù)據(jù)轉換。各個低功率硅光子環(huán)形諧振器鎖定在它們工作的特定波長上。這些環(huán)形諧振器由CMOS驅動器驅動，該驅動器與管芯上的數(shù)字邏輯的復位相接口。

每個宏對中包含一組PLL，TRXSlice和其他使它們全部工作所需的邏輯。如果查看GDSII截圖，則可以得出八個TRX切片，每個波長一個。設計每個宏中的各種PLL，以便可以將數(shù)據(jù)速率配置為高達2x的增量。當前的TeraPHY小芯片允許的數(shù)據(jù)速率為16 Gbps，25.6 Gbps和最高32Gbps。由于每個波導有八個波長，因此您正在查看每個宏的128 Gbps至256 Gbps的可配置聚合帶寬。

當前的TeraPHY小芯片包含10個宏對。這意味著它能夠在所有光學宏上提供高達2.56 Tb/s的聚合帶寬。這比AIB鏈接上的所有功能要多得多。目前尚不清楚它們?yōu)槭裁慈绱瞬黄胶?，但是由于可以將單個AIB信道路由到多個光信道，因此在進行此類通信時可能存在拓撲。例如，一個SoC將流量路由到其他兩個SoC。值得補充的是，由于在接收端不需要糾錯，因此它在光通道上使用NRZ調制格式。

為了與英特爾建立伙伴關系，將兩個TeraPHY集成到Stratix 10 FPGA中。這意味著每個FPGA的總光帶寬為5.12 Tbps。兩個小于50平方毫米的小芯片令人印象深刻！

那么，如何從芯片上物理地取出它呢？輸入或輸出波導終止于光柵耦合器，光柵耦合器是在其頂表面上具有脊和凹槽的設備，允許光以某個特定角度從波導中散射出去。在這里，將光纖拉到足夠近的距離，使其能夠收集散射的光。

對于Intel Stratix 10 FPGA，光線從頂部散出。換句話說，TeraPHY組件涉及通過芯片背面對齊和粘合光纖。光纖連接器從蓋子頂部直接穿過一個開口，直達TeraPHY小芯片。

英特爾FPGA產(chǎn)品戰(zhàn)略與創(chuàng)新副總裁文斯·胡（Vince Hu）表示：“我們看到的數(shù)據(jù)中心工作負載激增，它們對帶寬的需求不滿足，而且需要在機架級距離上連接設備?！薄白龅竭@一點的最佳方法是使用光學互連，并使用Ayar Labs小芯片，我們可以在低延遲和低功耗的情況下實現(xiàn)很高的帶寬?！?/p>

由于AIB的延遲極低，僅為3ns左右，因此通過AIB到TeraPHY并通過AIB的往返通信的延遲不到10 ns，而每米的延遲大約為5 ns。光纖（取決于整個系統(tǒng)的配置），最長可達2公里。TeraPHY的總能源效率略低于5 pJ / bit。該數(shù)字包含AIB接口，交叉開關和光學宏塊。

SuperNova激光

值得一提的是該芯片的工作溫度。由于FPGA的功率高達300瓦，而TeraPHY又增加了4.7W，因此該芯片的熱量可能會很高– Ayar報告的數(shù)字可能高達90攝氏度。GlobalFoundries 45 RF SOI已經(jīng)滿足1級（-40oC至+125oC）和Ayar自己的TeraPHY小芯片的要求，該設計通過能夠跟蹤和管理熱量變化的額外控制調諧邏輯來承受這些溫度。不幸的是，對于光源（激光器），它可能會遭受這些溫度的影響，這可能會影響設備的可靠性。

為此原因，Ayar Labs還開發(fā)了一種稱為SuperNova的外部激光器。SuperNova當前支持八個和十六個波長。波長被多路復用并放大到八個或十六個輸出端口上。換句話說，Ayar當前的SuperNova激光器總共支持256個通道，總帶寬為8.192 Tbps。激光的功率效率為1-2 pJ / bit。

潛在的路線圖改進

Ayar Labs TeraPHY小芯片顯示出集成光子學的潛力。對于同類產(chǎn)品而言，這一數(shù)字令人印象深刻。Stratix 10上的第一代AIB接口在第一代EMIB的55微米微凸點間距上的能效約為0.85pJ / bit。英特爾最近談論了很多計劃，將這個數(shù)字降低多達0.5 pJ / bit或更多。能源效率的提高與更高密度的微型凸塊相結合，應該能夠以與當前原型機相似的功率獲得更高的帶寬。此外，Ayar當前的TeraPHY小芯片利用WDM以便在同一波導上以八個波長發(fā)送八個比特。即使我們假設他們不會再添加任何渠道，它們實際上可以使TeraPHY小芯片上的波長數(shù)量增加一倍，從而使光I/O帶寬增加一倍。Ayar的SuperNova激光器已經(jīng)支持16種波長。在Supercomputing 2019上，Ayar Lab宣稱將于于2020年第一季度開始送樣。

審核編輯 ：李倩