人工智能驱动的光学I/O发展趋势、核心技术和设计工具

11/30/2023，光纤在线讯，最近，台积电、美光、新竹工研院、思科和爱德万测试等公司的专家聚集一堂，就硅基光电子技术在人工智能发展中可发挥的作用进行了讨论交流。本次研讨会由日月光公司执行长吴田玉主持 [1]。

硅基光电子技术的前景

     硅基光电子技术经过20多年的发展，已经能利用成熟的CMOS工艺，在硅基板上集成光波导、调制器、光栅、耦合器、探测器等光学组件。唯一无法集成在硅基板上的就是半导体激光器，它需要不同的材料体系，只能以封装的形式实现。硅光子基板用于将光信号转化为电信号，这是接收端；发射端则通过激光器将电信号转化为光信号。由于采用成熟的半导体制造工艺，在微小化、集成度、良率、成本等方面都具有优势。再者，与电信号相比，光信号具有更高的带宽、更低的时延以及更低的功耗。自20世纪80年代光纤通信被引入以来，光学信号传输主要应用于长距离的通信，如海底光缆、都市级网络。随着人类使用数据量的增加，光通信开始进入区域性网络。

     近年来，生成式人工智能的兴起导致了数据生成和传输量的爆炸增长，最大的数据量产生于人工智能服务器之间，因为任一个大型模型都包含了数以十亿计的参数，需要消耗极大的算力进行训练，这需要大量的并行运算和数据交换。得益于半导体制程的进步，单条指令的运算时间已经达到1-2纳秒，但是数据传输速度的提升始终跟不上运算能力的增长。

     即使在光纤内传输1米距离也会产生5纳秒的时延，这导致运算单元频繁等待数据而空闲。如果用电信号传输，等待时间会更长。解决之道是将光信号的转换尽可能靠近处理芯片，甚至避免经过电路板。因此，光电共封装技术应运而生。

光电共封装技术的发展

     光电共封装技术是将光子集成电路和电子集成电路堆叠封装在一起，置于交换机内部，可为光纤提供最短的时延路径。早在2000年代中期，IBM就在其技术展望报告中预测光互连对未来极为重要，对自己的技术预见能力倍感自豪。当时还不了解人工智能的发展，也不了解半导体工艺会缩小到3纳米以下。但是数据量增长所带来的挑战，以及硅光子技术在光互连中的重要作用已经清晰可见。当时还不确定是芯片级连接、板级连接，还是机架级连接。如今，数据中心中的服务器机架和单元已经广泛使用光互连；芯片级连接也因先进的封装技术得以电信号交换解决；下一步的重点则是板级光互连。

     基于硅基光电子的光电共封装技术可有效满足人工智能对带宽的需求，必将对现有产业链造成颠覆。然而，采用pluggable模块的传统光学生态系统也不会坐以待毙。本年度全球光通信大会（OFC）上，新提出的线性驱动插拔模块受到广泛关注，被视为传统模块的一次重要反击。线性驱动模块简化了内部电路，将信号处理功能移至ASIC芯片中，以获得更低的时延和功耗，可再延续当前产品几个世代。这与浸没式光刻技术延续摩尔定律发展的方式类似。但是，基于硅基光电子的光电共封装技术的到来仍是大势所趋，最多被稍稍推迟。线性驱动的概念也可应用于光电共封装技术中，取得更好的效果。

输入输出带宽的发展需求

     随着半导体工艺的进步，芯片的规模和性能呈指数增长，但是传统的输入输出技术已经越来越难以满足高性能计算和人工智能的带宽需求。输入输出带宽的增长速度从2010年代的每秒10GB，到2025年预计达到每秒1TB，15年时间增长了100多倍之多。铜制互连线和金线的电信号传输已经很难再以更高的密度和效率进行信号传输。


图一 I/O 带宽的趋势

     要继续提升计算性能，必须开发新的输入输出技术。光互连可以提供比电信号高出20倍的带宽密度，将光收发器直接集成在计算芯片上也可以大幅降低时延。DARPA资助的TeraPHY、POSH和CHIPS等项目就是为开发集成光输入输出和芯片互连技术提供研发支持。

[center]图二 Ayar Labs的 TeraPHY光学 I/O

     人工智能和高性能计算对输入输出带宽的需求正在迅速超过电子互连的供给。要防止输入输出环节成为系统性能的瓶颈，像集成光学和芯片封装等新型互连技术势在必行。


图三 TSMC COUPLE 2.0

硅基光电子与电子电路的联合设计与仿真

     硅基光电子集成电路的进展让光子和电子器件得以在同一芯片上实现集成，带来了从光通信到传感等广泛的功能和应用，也使这些异构系统的优化设计成为一个挑战。

     为解决设计难题，亟需新型的电子光子自动化设计工具。正如逍遥科技的pSim等光子电路仿真器可以建模并模拟光波导、谐振腔、调制器、探测器等组件。pSim也可以导入外部电路仿真器的网表，集成紧凑的器件模型，实现电路与光路的联合仿真。

     在版图方面，PhotoCAD可实现光电组件的自动布置布线。PIC Studio平台通过将原理图、布图、验证工具进行整合，实现了完整的联合设计流程，包括电路综合、光器件仿真、原理图驱动布局、布局验证和流片输出。

PIC Studio还支持各种工艺库和仿真引擎，如FDTD、TCAD，并通过开放接口实现与Spectre等商业仿真器的联合仿真。PIC Studio也提供了从理论到实际的完整学习教程和资源。

     这种新型的电子光子设计平台有望弥合电路与光路设计之间的差距，使新型光电子系统得以更快地进行开发和应用。 电路仿真、布局设计和验证与联合仿真的无缝集成是关键所在。


图四 逍遥科技的 PIC Studio设计流程

结论

     光电共封装技术支持下的硅基光电子集成电路，在带宽、时延和功耗方面都具有巨大的优势，可以满足人工智能运算不断增长的数据需求。虽然传统的光模块生态系统会进行自我调整争取自保，但是向同封装光子技术的转变已经势不可挡。这次由业内顶级公司专家集结举行的研讨会，正是整个产业认识到这一重大变革并正在积极准备的一个缩影 [1]。

参考资料

[1] AI风潮引爆硅光子应用https://www.digitimes.com.tw/col/article.asp?id=12780

（来源：逍遥科技）