如何減少光學器件的數據延遲

光學和電氣領域正開始在更深層次上交叉，特別是在數據中心對 3D-IC 和 AI/ML 訓練日益關注的情況下，推動了芯片設計方式及集成方法的變化。

這種轉變的根源在于 AI/ML 的功耗、性能需求。現在，僅僅為了訓練一個模型可能需要占用數據中心的多座大樓。這些性能需求，再加上數據中心本身的爆炸式增長——從獨立建筑物發展為遍布數個電網的地理分布網絡，需要專用光纖網絡來處理大量帶寬——要求光子學行業進行創新。

為了應對海量數據和不斷擴展的網絡基礎設施，以太網速度正在迅速從 800 Gb/s 標準（IEEE P802.3df 工作組于 2024 年 2 月批準）提高到 2026 年計劃中的 1.6Tb/s。與此同時，芯片架構師和工程團隊正在努力減小系統延遲。但即便如此還不夠，這就是光通信突然受到更多關注的原因。

十多年前，有人預測光學將在數據中心內變得至關重要。Alphawave Semi 首席技術官 Tony Chan Carusone 表示：「現在，有些人非常高興地看到光學在一些大規模應用中占據了應有的位置——比如人工智能/機器學習等。」「我們所有人都在努力預測將得到廣泛應用的技術，以及哪些方面需要開發更定制化的解決方案。」

一個主要的關注領域是電光開關技術。光學器件是長距離的最佳解決方案，正確調整的電子器件可以降低延遲和阻抗。二者結合在數據中心機架和集群中，使用帶有電氣線路的 ASIC 開關，從整個板面延伸到前面板，在前面板插入可插拔光學元件以執行電光轉換及其反向操作。過去，這被認為是一種高效而優雅的解決方案，但所有這些毫米都會累加起來，使傳統的系統架構不可持續。

「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 點傳輸到 B 點，」Ansys 的首席研發工程師 Ahsan Alam 說道。「這就是所謂的『功耗墻』。當你所有的功耗都用來將信號從一個芯片傳輸到另一個芯片時，你就沒有剩余的功耗來執行 CPU、GPU 或 ASIC 中的實際計算。」

CPO 和 LPO

業界正在尋找解決功耗墻問題的不同方法。「一種方法是共同封裝光學器件，」Synopsys 高速 SerDes IP 解決方案首席產品經理 Priyank Shukla 表示。「與其在表面積有限機架單元邊緣進行電光轉換（LPO），不如將光纖直接引入芯片封裝中并在其中進行轉換。」

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

Broadcom 光學系統市場和運營副總裁 Manish Mehta 表示：「共封裝光學架構促進了 ASIC 與光學引擎在共同基板上的集成，并消除了信號傳輸到前端插拔式收發器所產生的信號損傷。由于 CPO 基板上的信號路徑簡化，通過移除光學 DSP 并在光學引擎中使用 CMOS 電子 IC 組件，光互連功耗減少了 70%。」

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

「英偉達首席執行官黃仁勛在 GTC 主題演講中指出，通過光子傳輸數據需要在光纖的一側安裝發射器，在另一側安裝接收器。黃仁勛談到取消收發器并直接使用銅纜。」Ansys 戰略合作伙伴總監 Rich Goldman 說道。「盡管光子學有諸多已知的優勢，但這個想法可能也具有一定的價值，因為收發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，這些都是相互關聯的。我們已經討論了很長時間，現在我們已經實現了。」

隨著設計的不斷發展，當前的光學互連選擇介于傳統的可插拔式模塊、CPO 和線性驅動可插拔光學（LPO）之間，而 LPO 位于中間位置。對于那些還沒有準備好完全過渡到 CPO 的人來說，LPO 的優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。「Meta 和其他超大規模網絡服務提供商公開要求線性驅動技術，在電光轉換中，你可以消除中間的再定時器，這樣電驅動器直接驅動光學組件，這就是你在信號鏈電光轉換中節省功耗的方式。但這也使得 SerDes 設計更加具有挑戰性。」

圖 1：共封裝光學與可插拔光學的插入損耗節約比較。Broadcom 將線性驅動可插拔光學視為一個中間步驟。來源：Broadcom

LPOs 是由交換機 SerDes 直接驅動的，沒有再定時器。再定時器曾因通過創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，與再驅動器不同，后者會同時放大信號和噪音。但現在，它們的存在受到質疑，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：「任何需要數字信號處理器的東西都需要功耗。」「對于數據中心運營商來說，特別是那些試圖建立人工智能基礎設施的運營商來說，最主要的問題是功耗。他們希望將每瓦功耗都用于服務器，盡可能少地用于光學設備。」

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過深思熟慮的折衷方案。「對于 CPO，如果你從傳統的可插拔式光學模塊轉向一種在實施方面看起來非常不同的技術，在可靠性方面不可避免會產生質疑，」Ansys 的 Alam 說道。「LPO 仍將具有與當前可插拔設備相同的外形尺寸。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。」

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據，」Alam 解釋道。「其傳輸距離遠比 CPO 短。CPO 未來也將提供更多的功耗優勢。相反，LPO 由于其模塊化結構，將提供更優秀的可維護性。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，如當前可插拔式收發器和 LPO，可插拔式光學模塊是有意義的，而在另一些情況下，CPO 是有意義的。兩者都將繼續存在，并且市場份額將在兩者之間劃分。」

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

散熱問題

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

「如果你擔心熱問題，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技術和芯片內外的激光器來說，大多數人將他們的光學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器件。保持激光器分離的優點是可以減少向開關系統產生的熱量。此外，激光器對溫度變化敏感，因此當你將其帶入 3D-IC 時，需要考慮激光器的可靠性，因為存在熱串擾等問題。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，已經有一些解決方案將激光器集成到了共封裝光學器件中。總的來說，無論使用片內還是片外的激光器，都需要對整個共封裝光學器件進行熱仿真，以減小熱串擾、優化系統冷卻，并降低工作溫度，以確保性能和可靠性。」

熱量是光子學中的一個大問題，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，可以調整熱調諧器上的電壓，從而調整設備溫度和性能。然而，有些對溫度變化敏感的元件不具備熱調諧功能。

Ansys 的 Goldman 表示：「你必須非常注意熱量及其對設計的影響。」「我們在數據中心更多地使用光子學，因為銅會升溫，而玻璃不會，而且光還攜帶更多信號。你可以實現更大的帶寬，而且速度是光速。它更好、更快、更便宜。」

簡單來說，產生額外熱量的不是激光器，而是封裝結構。

「共封裝對整個行業來說是一個挑戰，」Shukla 說道。「你必須使用共封裝的部署模擬性能。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這些工藝，以限制他們的光子組件、激光調制器的熱耗散。EDA 公司正在開發流程，允許系統設計人員建模溫度分布，以便正確建模光學元件的性能。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，并在數字方面采取措施來補償性能的下降。這就是 EDA 工具和設計者正在解決的難題，而 SerDes 設計者則從電氣方面降低功耗。」

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

「很多結構都會內置加熱器來調節其波導的諧振和濾波能力，」Keysight 的業務發展、市場營銷和技術專家 Chris Mueth 說道。「它需要有一個反饋環路。如果你要調諧到特定的波長，你就需要對此進行控制。當你開始在 3D-IC 中進行集成時，芯片自身會加熱，問題就變得更加復雜了。」

情況復雜，但并非無望。「你需要考慮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。「這是當你在集成 3D-IC 和光子學以及所有這些帶有物理效應的不同技術時，你必須處理的眾多多學科特征之一。」

經過幾十年的演示與討論，光子學和電子學這兩個曾經分離的領域似乎正在趨于融合。

「無論是共封裝光學、可插拔光學還是單片集成，光子學在包括數據中心光學和高性能計算在內的廣泛應用中與電子學越來越接近，」Synopsys 的 EDA 團隊產品營銷負責人 Jigesh Patel 說道。「這一趨勢需要在設計創新上進行范式轉變——從 SoC 轉向片上系統方法，其中在通用電子光子設計自動化環境中多種技術的協同設計和協同優化是商業成功的關鍵。」