光子和電子器件共封裝所面臨的挑戰(zhàn)

來源：Laser Focus World

Keren Bergman在 IEEE 第 74 屆電子和元件技術(shù)會議 (ECTC) 上，進(jìn)行了一次主題演講，介紹了將光子芯片與電子端、計算和內(nèi)存以及計算系統(tǒng)邊緣的其他組件更緊密結(jié)合的不同技術(shù)和方法。我們有幸與Keren Bergman進(jìn)行了一次對話。

我們知道光學(xué)對于通過移動數(shù)據(jù)進(jìn)行通信非常有用，但我們?nèi)绾文軐⒐庾訉W(xué)應(yīng)用于各種規(guī)模的計算系統(tǒng)（從片上系統(tǒng)到大型計算機(jī)）中？以及，將數(shù)據(jù)移動引入光學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行計算的最佳方法是什么？

這些問題正是美國哥倫比亞大學(xué)電氣工程教授兼綜合科學(xué)與工程中心科學(xué)主任Keren Bergman目前在光學(xué)、光子學(xué)和計算交叉領(lǐng)域探索的眾多問題中的兩個。

將光子學(xué)引入計算系統(tǒng)的推動力很大程度上是受到機(jī)器學(xué)習(xí)中人工智能（AI）應(yīng)用的寒武紀(jì)式大爆發(fā)的影響，因為全球大多數(shù)數(shù)據(jù)中心都在運行 AI 應(yīng)用程序。

Keren Bergman表示：“過去十年，我們在光通信領(lǐng)域取得了巨大進(jìn)步。以前，我們主要將光通信用于長距離光纖系統(tǒng)。但近期取得的進(jìn)展正在實現(xiàn)芯片上光學(xué)元件的集成（以硅光子的形式），并將光學(xué)接口從電子平面帶到光學(xué)平面，甚至到芯片?！?/p>

而這也帶來了一些機(jī)遇：光學(xué)接口是否可以連接到計算機(jī)芯片和內(nèi)存芯片，實現(xiàn)這些計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的光通信？

Keren Bergman表示：“這是一個非常有趣的研究/技術(shù)問題，這一問題的出現(xiàn)主要是由于人工智能在計算方面的主要驅(qū)動力，以及在光子學(xué)方面，基于在芯片上集成光子而建立的龐大生態(tài)系統(tǒng)”。

設(shè)計工作

光子為千萬億次級系統(tǒng)（每秒進(jìn)行千萬億次計算）甚至百億億次級系統(tǒng)（每秒進(jìn)行千萬億次計算）帶來的最大好處之一是，它有可能在系統(tǒng)內(nèi)傳輸更多的通信帶寬。

如今，在電子領(lǐng)域內(nèi)移動數(shù)據(jù)受到限制，是因為高帶寬通信“損耗很大，需要指數(shù)級增長的電力來移動越來越多的數(shù)據(jù)”，Keren Bergman表示?！稗D(zhuǎn)向光域的原因在于我們可以以更高的能源效率做到這一點——以更低的能耗在遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)。而且在芯片上的每條線路和引腳內(nèi)，我們可以插入更多帶寬，因為光子本質(zhì)上是玻色子，不會相互干擾?！?/p>

密集排列的電子系統(tǒng)往往會面臨產(chǎn)生串?dāng)_、干擾及其他問題。但在光域中，數(shù)據(jù)可以在不同的顏色、波長或通道上進(jìn)行調(diào)制，并且所有數(shù)據(jù)都在同一根電線、光纖或波導(dǎo)內(nèi)共同傳播，而不會相互干擾。它能夠為芯片騰出更多單位面積/單位長度的帶寬。

“光學(xué)在這里提供了兩個優(yōu)勢：我們可以獲得非常高的帶寬密度——大約每毫米數(shù)兆兆位，”Keren Bergman表示。2“它還能以低于皮焦耳每比特的能量將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)百米或數(shù)公里之外?！?/p>

那面臨的挑戰(zhàn)是什么呢？那就是將這些光子芯片與電子端、計算和內(nèi)存以及計算系統(tǒng)邊緣的其他組件共同封裝或共同集成。

解決這個問題的一種方法是盡可能以最有效的方式對光學(xué)鏈路和電子器件進(jìn)行共同設(shè)計?！皬墓鈱W(xué)角度來說，有很多波長可供選擇，” Bergman說。“它們是由光梳產(chǎn)生的——一束激光可以同時高精度地產(chǎn)生 100 多種不同的顏色?！?/p>

這就引出了一個問題：每個波長通道的正確數(shù)據(jù)調(diào)制頻率是多少，才能與該接口電氣端的正確數(shù)據(jù)頻率相匹配？

“這些都是重要的設(shè)計問題，” Bergman說，“其他問題則與封裝有關(guān)?！?光子芯片由硅制成，因此看起來就像電子芯片。我們?nèi)绾螌⑵浞庋b在一起，以便與電子端對接？有多種方法可以增強(qiáng)集成度，例如 3D 集成，甚至是單片集成，其中光子和電子共存于同一芯片內(nèi)?！?/p>

解決共封裝的高溫問題

研究界和業(yè)界正在思考如何將這些不同技術(shù)（光子和電子）組合在同一個異構(gòu)封裝中。其中兩個關(guān)鍵問題與高溫有關(guān)：我們?nèi)绾卫鋮s封裝？我們?nèi)绾伪３忠欢ǖ臏囟纫詫崿F(xiàn)最佳性能？

光子是一種熱敏感技術(shù)，“如果光子芯片的溫度發(fā)生變化，其折射率也會發(fā)生變化，” Bergman解釋道?！拔覀円尮庾有酒m應(yīng)溫度變化——因為溫度變化來自周圍環(huán)境和接口的電氣端?！?/p>

在3D封裝中，電子端產(chǎn)生的高溫會影響光子芯片的性能，因此了解熱環(huán)境并進(jìn)行補(bǔ)償/設(shè)計至關(guān)重要。

“我們可以通過多種方式實現(xiàn)這一目標(biāo)，” Bergman說，“有一種方法是采用閉環(huán)電路，即使溫度發(fā)生變化，也能保持光子芯片的工作點。另一種方法是將光子芯片設(shè)計得盡可能無熱相變。”

這些方法本質(zhì)上可以補(bǔ)償溫度變化?！耙环N材料的溫度會隨著折射率的變化而朝一個方向改變，而另一種材料的溫度會朝相反的方向改變——這為我們設(shè)計光子芯片提供的一種內(nèi)在魯棒性，”Bergman補(bǔ)充道。

電子器件才是問題所在

稍微擴(kuò)大范圍，深入當(dāng)今的系統(tǒng)內(nèi)部，“我們在3D中擁有非常好的電子連接，并且內(nèi)存和圖形處理單元 (GPU) 之間也有電子芯片，” Bergman說。

雖然這種連接在能耗和帶寬方面表現(xiàn)良好，但電子器件的問題在于，當(dāng)需要在系統(tǒng)內(nèi)移動數(shù)據(jù)時，會消耗大量的能源，而且?guī)捒赡軙陆刀噙_(dá)兩個數(shù)量級。

將光子像接口一樣引入芯片可以使整個系統(tǒng)的通信更加流暢，從而完全消除系統(tǒng)內(nèi)當(dāng)前存在的兩個數(shù)量級的錐度。

“它將大大加快應(yīng)用程序的執(zhí)行時間以及我們設(shè)計系統(tǒng)的方式，” Bergman說?！皩⒐庾蛹{入系統(tǒng)不僅僅是一種技術(shù)替代，它還能讓我們將人工智能系統(tǒng)的性能提高幾個數(shù)量級，同時保持能耗不變。我們可以改變能源消耗的曲線。”

轉(zhuǎn)折點

我們已經(jīng)到達(dá)了一個轉(zhuǎn)折點，目前光子仍然比如今的電子互連基礎(chǔ)設(shè)施更昂貴——因為制造業(yè)和整個半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)比光子成熟得多。

“各個公司希望將這些系統(tǒng)商業(yè)化并加以部署。然而盡管能源和性能很重要，但在實際系統(tǒng)和項目中，成本最終還是最重要的。因此，我們陷入了兩難境地：我們能否將光子引入完整的制造模式，從而實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，最終降低成本？”

Bergman對我們實現(xiàn)這一目標(biāo)持樂觀態(tài)度，因為計算方面的供應(yīng)商要么已經(jīng)開發(fā)了，要么正在探索共封裝光學(xué)/光子學(xué)項目，因此這一目標(biāo)確實指日可待?！暗覀冞€沒有完全實現(xiàn)，”她表示。

未來可期

未來光子學(xué)顯然將實現(xiàn)超大規(guī)模計算及其他計算。對于電氣版本的連接性而言，擴(kuò)展將意味著“我們基本上需要一座核電站來滿足系統(tǒng)的電力消耗，” Bergman說?！斑@就是為什么結(jié)束能源消耗曲線并實現(xiàn)未來系統(tǒng)的可擴(kuò)展性如此重要?！?/p>

Bergman 及其同事還致力于將靈活性融入到互連之外的通信系統(tǒng)中，以確保交換機(jī)也具有波長選擇性，使系統(tǒng)能夠適應(yīng)特定應(yīng)用的通信性質(zhì)。

“這種靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的互聯(lián)互通是我們正在研究的另一個振奮人心的領(lǐng)域，這一領(lǐng)域是增加波長域之外的帶寬，探索空間/模態(tài)域，因此對于每個波長，你也可以在該顏色或波長內(nèi)擁有正交獨立的空間模式，” Bergman說?！爱?dāng)它增加時，它就會形成一股波，從而進(jìn)一步增加帶寬密度?！?/p>

拓展閱讀

1. A. Rizzo et al., Nat. Photon., 17, 781–790 (Jun. 2023).

2. A. Rizzo et al., IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., 29, 1–20 (Feb. 2023).

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審核編輯 黃宇