如何減少光學(xué)器件的數(shù)據(jù)延遲

光學(xué)和電氣領(lǐng)域正開始在更深層次上交叉，特別是在數(shù)據(jù)中心對 3D-IC 和 AI/ML 訓(xùn)練日益關(guān)注的情況下，推動了芯片設(shè)計方式及集成方法的變化。

這種轉(zhuǎn)變的根源在于 AI/ML 的功耗、性能需求?，F(xiàn)在，僅僅為了訓(xùn)練一個模型可能需要占用數(shù)據(jù)中心的多座大樓。這些性能需求，再加上數(shù)據(jù)中心本身的爆炸式增長——從獨立建筑物發(fā)展為遍布數(shù)個電網(wǎng)的地理分布網(wǎng)絡(luò)，需要專用光纖網(wǎng)絡(luò)來處理大量帶寬——要求光子學(xué)行業(yè)進行創(chuàng)新。

為了應(yīng)對海量數(shù)據(jù)和不斷擴展的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，以太網(wǎng)速度正在迅速從 800 Gb/s 標(biāo)準(zhǔn)（IEEE P802.3df 工作組于 2024 年 2 月批準(zhǔn)）提高到 2026 年計劃中的 1.6Tb/s。與此同時，芯片架構(gòu)師和工程團隊正在努力減小系統(tǒng)延遲。但即便如此還不夠，這就是光通信突然受到更多關(guān)注的原因。

十多年前，有人預(yù)測光學(xué)將在數(shù)據(jù)中心內(nèi)變得至關(guān)重要。Alphawave Semi 首席技術(shù)官 Tony Chan Carusone 表示：「現(xiàn)在，有些人非常高興地看到光學(xué)在一些大規(guī)模應(yīng)用中占據(jù)了應(yīng)有的位置——比如人工智能/機器學(xué)習(xí)等?！埂肝覀兯腥硕荚谂︻A(yù)測將得到廣泛應(yīng)用的技術(shù)，以及哪些方面需要開發(fā)更定制化的解決方案?！?/span>

一個主要的關(guān)注領(lǐng)域是電光開關(guān)技術(shù)。光學(xué)器件是長距離的最佳解決方案，正確調(diào)整的電子器件可以降低延遲和阻抗。二者結(jié)合在數(shù)據(jù)中心機架和集群中，使用帶有電氣線路的 ASIC 開關(guān)，從整個板面延伸到前面板，在前面板插入可插拔光學(xué)元件以執(zhí)行電光轉(zhuǎn)換及其反向操作。過去，這被認(rèn)為是一種高效而優(yōu)雅的解決方案，但所有這些毫米都會累加起來，使傳統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)不可持續(xù)。

「將來會有一個時間點，你的所有功耗都會被用來嘗試在沒有任何錯誤的情況下高效地將信號從 A 點傳輸?shù)?B 點，」Ansys 的首席研發(fā)工程師 Ahsan Alam 說道。「這就是所謂的『功耗墻』。當(dāng)你所有的功耗都用來將信號從一個芯片傳輸?shù)搅硪粋€芯片時，你就沒有剩余的功耗來執(zhí)行 CPU、GPU 或 ASIC 中的實際計算?！?/span>

CPO 和 LPO

業(yè)界正在尋找解決功耗墻問題的不同方法?！敢环N方法是共同封裝光學(xué)器件，」Synopsys 高速 SerDes IP 解決方案首席產(chǎn)品經(jīng)理 Priyank Shukla 表示?！概c其在表面積有限機架單元邊緣進行電光轉(zhuǎn)換（LPO），不如將光纖直接引入芯片封裝中并在其中進行轉(zhuǎn)換。」

盡管如此，可插拔器件與共封裝光學(xué)器件 (CPO) 之間的爭論仍在繼續(xù)。一方面，有人主張采用簡單易行且運行良好的傳統(tǒng)系統(tǒng)，擁有長期建立的 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，是一種較新的方法，采用最近批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)，可能提升性能并降低成本。

Broadcom 光學(xué)系統(tǒng)市場和運營副總裁 Manish Mehta 表示：「共封裝光學(xué)架構(gòu)促進了 ASIC 與光學(xué)引擎在共同基板上的集成，并消除了信號傳輸?shù)角岸瞬灏问绞瞻l(fā)器所產(chǎn)生的信號損傷。由于 CPO 基板上的信號路徑簡化，通過移除光學(xué) DSP 并在光學(xué)引擎中使用 CMOS 電子 IC 組件，光互連功耗減少了 70%。」

與此同時，線性驅(qū)動光學(xué)器件已成為一種可能的獨立選擇，也是可插拔光學(xué)器件和共封裝光學(xué)器件過渡的一種方式，ASIC 而非 DSP 驅(qū)動光學(xué)器件。英偉達(dá)于 2023 年在 OIF 上首次提出了這一想法，迄今為止已經(jīng)推出了許多變體，希望能夠在降低功耗的情況下創(chuàng)建更快的連接。

「英偉達(dá)首席執(zhí)行官黃仁勛在 GTC 主題演講中指出，通過光子傳輸數(shù)據(jù)需要在光纖的一側(cè)安裝發(fā)射器，在另一側(cè)安裝接收器。黃仁勛談到取消收發(fā)器并直接使用銅纜?！笰nsys 戰(zhàn)略合作伙伴總監(jiān) Rich Goldman 說道?！副M管光子學(xué)有諸多已知的優(yōu)勢，但這個想法可能也具有一定的價值，因為收發(fā)器需要進行一些工作，任何工作都可能減慢速度并增加功耗。這意味著我們需要從芯片一直討論到整個系統(tǒng)，這些都是相互關(guān)聯(lián)的。我們已經(jīng)討論了很長時間，現(xiàn)在我們已經(jīng)實現(xiàn)了?！?/span>

隨著設(shè)計的不斷發(fā)展，當(dāng)前的光學(xué)互連選擇介于傳統(tǒng)的可插拔式模塊、CPO 和線性驅(qū)動可插拔光學(xué)（LPO）之間，而 LPO 位于中間位置。對于那些還沒有準(zhǔn)備好完全過渡到 CPO 的人來說，LPO 的優(yōu)勢在于熟悉的外形尺寸，損失較少。

「這是新的低功耗互連，」Synopsys 的 Shukla 說道?！窶eta 和其他超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商公開要求線性驅(qū)動技術(shù)，在電光轉(zhuǎn)換中，你可以消除中間的再定時器，這樣電驅(qū)動器直接驅(qū)動光學(xué)組件，這就是你在信號鏈電光轉(zhuǎn)換中節(jié)省功耗的方式。但這也使得 SerDes 設(shè)計更加具有挑戰(zhàn)性?！?/span>

圖 1：共封裝光學(xué)與可插拔光學(xué)的插入損耗節(jié)約比較。Broadcom 將線性驅(qū)動可插拔光學(xué)視為一個中間步驟。來源：Broadcom

LPOs 是由交換機 SerDes 直接驅(qū)動的，沒有再定時器。再定時器曾因通過創(chuàng)建新信號來延長傳輸距離而受到重視，它們增加了信號，但不會放大噪音，與再驅(qū)動器不同，后者會同時放大信號和噪音。但現(xiàn)在，它們的存在受到質(zhì)疑，因為它們的功能會增加延遲并消耗額外的功耗。

Infinera 的市場營銷高級副總裁 Rob Shore 表示：「任何需要數(shù)字信號處理器的東西都需要功耗?！埂笇τ跀?shù)據(jù)中心運營商來說，特別是那些試圖建立人工智能基礎(chǔ)設(shè)施的運營商來說，最主要的問題是功耗。他們希望將每瓦功耗都用于服務(wù)器，盡可能少地用于光學(xué)設(shè)備?！?/span>

圖 2：無再定時器接口。來源：Synopsys

對于支持者來說，LPO 是功能性和熟悉度之間經(jīng)過深思熟慮的折衷方案?！笇τ?CPO，如果你從傳統(tǒng)的可插拔式光學(xué)模塊轉(zhuǎn)向一種在實施方面看起來非常不同的技術(shù)，在可靠性方面不可避免會產(chǎn)生質(zhì)疑，」Ansys 的 Alam 說道。「LPO 仍將具有與當(dāng)前可插拔設(shè)備相同的外形尺寸。這對于人們選擇這條路線而不是選擇 CPO 來說是一個很大的動機，因為后者將會有根本不同的變化?！?/span>

然而，LPO 也有其自身的局限性。「你無法在非常長的距離上傳輸數(shù)據(jù)，」Alam 解釋道?！钙鋫鬏斁嚯x遠(yuǎn)比 CPO 短。CPO 未來也將提供更多的功耗優(yōu)勢。相反，LPO 由于其模塊化結(jié)構(gòu)，將提供更優(yōu)秀的可維護性。最終，一些團體會選擇 LPO，一些會選擇 CPO，還有一些會兩者兼而有之。在一些情況下，如當(dāng)前可插拔式收發(fā)器和 LPO，可插拔式光學(xué)模塊是有意義的，而在另一些情況下，CPO 是有意義的。兩者都將繼續(xù)存在，并且市場份額將在兩者之間劃分?！?/span>

從設(shè)計的角度來看，CPO 和 LPO 面臨的挑戰(zhàn)有很好的重疊，并且應(yīng)該主要由當(dāng)前的 EDA 工具支持，尤其是 LPO，因為它與當(dāng)前的可插拔收發(fā)器相似。Alam 指出：「您可以使用目前用于 LPO 可插拔收發(fā)器設(shè)計的相同解決方案，而對于 CPO，則有多物理場工作流程來應(yīng)對新興的封裝挑戰(zhàn)?！?/span>

散熱問題

盡管 CPO 技術(shù)承諾降低功耗，但設(shè)計面臨著熱問題的挑戰(zhàn)。但問題并不在于激光器。

「如果你擔(dān)心熱問題，那么『激光』這個詞聽起來很可怕，」Alam 說道。「但是對于共封裝光學(xué)技術(shù)和芯片內(nèi)外的激光器來說，大多數(shù)人將他們的光學(xué)引擎和激光器安裝在單獨的芯片上，然后將激光器帶入共封裝光學(xué)器件。保持激光器分離的優(yōu)點是可以減少向開關(guān)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量。此外，激光器對溫度變化敏感，因此當(dāng)你將其帶入 3D-IC 時，需要考慮激光器的可靠性，因為存在熱串?dāng)_等問題。因此，將激光器置于芯片外是一個更簡單的解決方案。話雖如此，已經(jīng)有一些解決方案將激光器集成到了共封裝光學(xué)器件中。總的來說，無論使用片內(nèi)還是片外的激光器，都需要對整個共封裝光學(xué)器件進行熱仿真，以減小熱串?dāng)_、優(yōu)化系統(tǒng)冷卻，并降低工作溫度，以確保性能和可靠性?！?/span>

熱量是光子學(xué)中的一個大問題，但在電氣 IC 中并不存在，因為它會影響信號完整性。雖然某些組件的行為可能對溫度變化非常敏感，但電路通常具有反饋回路，可以調(diào)整熱調(diào)諧器上的電壓，從而調(diào)整設(shè)備溫度和性能。然而，有些對溫度變化敏感的元件不具備熱調(diào)諧功能。

Ansys 的 Goldman 表示：「你必須非常注意熱量及其對設(shè)計的影響?！埂肝覀冊跀?shù)據(jù)中心更多地使用光子學(xué)，因為銅會升溫，而玻璃不會，而且光還攜帶更多信號。你可以實現(xiàn)更大的帶寬，而且速度是光速。它更好、更快、更便宜?！?/span>

簡單來說，產(chǎn)生額外熱量的不是激光器，而是封裝結(jié)構(gòu)。

「共封裝對整個行業(yè)來說是一個挑戰(zhàn)，」Shukla 說道?！改惚仨毷褂霉卜庋b的部署模擬性能。每個人都在盡力解決這個問題。光子芯片提供商、光子晶片廠商正在開發(fā)這些工藝，以限制他們的光子組件、激光調(diào)制器的熱耗散。EDA 公司正在開發(fā)流程，允許系統(tǒng)設(shè)計人員建模溫度分布，以便正確建模光學(xué)元件的性能。例如，如果激光器的性能隨溫度升高而變化，我們需要工具有效地模擬這一變化，并在數(shù)字方面采取措施來補償性能的下降。這就是 EDA 工具和設(shè)計者正在解決的難題，而 SerDes 設(shè)計者則從電氣方面降低功耗?！?/span>

然而，與電子學(xué)不同的是，在某些光子電路中，精確控制的熱量被用來調(diào)節(jié)激光器，隨著熱量的增加，波長會發(fā)生變化。但是，這種特性可能會使熱過載成為一個更加令人擔(dān)憂的問題。

「很多結(jié)構(gòu)都會內(nèi)置加熱器來調(diào)節(jié)其波導(dǎo)的諧振和濾波能力，」Keysight 的業(yè)務(wù)發(fā)展、市場營銷和技術(shù)專家 Chris Mueth 說道?！杆枰幸粋€反饋環(huán)路。如果你要調(diào)諧到特定的波長，你就需要對此進行控制。當(dāng)你開始在 3D-IC 中進行集成時，芯片自身會加熱，問題就變得更加復(fù)雜了?！?/span>

情況復(fù)雜，但并非無望?！改阈枰紤]控制回路來處理這個問題。這并不是無法解決的事情，」Mueth 說道?！高@是當(dāng)你在集成 3D-IC 和光子學(xué)以及所有這些帶有物理效應(yīng)的不同技術(shù)時，你必須處理的眾多多學(xué)科特征之一?！?/span>

經(jīng)過幾十年的演示與討論，光子學(xué)和電子學(xué)這兩個曾經(jīng)分離的領(lǐng)域似乎正在趨于融合。

「無論是共封裝光學(xué)、可插拔光學(xué)還是單片集成，光子學(xué)在包括數(shù)據(jù)中心光學(xué)和高性能計算在內(nèi)的廣泛應(yīng)用中與電子學(xué)越來越接近，」Synopsys 的 EDA 團隊產(chǎn)品營銷負(fù)責(zé)人 Jigesh Patel 說道。「這一趨勢需要在設(shè)計創(chuàng)新上進行范式轉(zhuǎn)變——從 SoC 轉(zhuǎn)向片上系統(tǒng)方法，其中在通用電子光子設(shè)計自動化環(huán)境中多種技術(shù)的協(xié)同設(shè)計和協(xié)同優(yōu)化是商業(yè)成功的關(guān)鍵?！?/span>