将硅光子引入硅芯片

半导体学者 · 发表于 2020-4-14 16:04

原创 wikichip EETOP

随着硅光子学越来越接近计算，第一波高带宽设备的浪潮已经围绕着数据中心到数据中心的长距离连接展开。在过去的几年里，该技术在数据中心内逐渐普及。在这里将光学技术靠近计算，就意味着将光学技术带到网络交换机z中。但交换机只让我们到目前为止。最近，我们看到了业界率先将硅光子部件直接引入处理芯片本身的一些案例。成立于2012年的加拿大安大略省的Ranovus公司就是这样一家一直在研究这项技术的公司。他们一直在研究各种硅光子技术。今天，我们就来谈谈他们这些令人印象深刻的技术。

目前市场上流行的一些硅光收发器技术，如PSM4 QSFP 100G光收发器等，都是依靠在四个独立的通道上传播光信号。换句话说，光信号在四条平行的25G光纤上传播。通过一种称为波分复用（WDM）的技术，可以在单个光纤上承载多个波长的激光光束。从PSM4转换为CWDM4发射机意味着现在有了一根100G光纤。目前我们增加更多波长的方式是通过增加更多的并行激光器。要提供16个甚至32个激光器，就意味着将32个激光器并排放置在一起。将这么多的激光器耦合在一起，会产生一些效率开销和成本开销。

Ranovus公司一直在研究几种关键技术，使其光学产品得以实现。其中一项技术是基于量子点（梳子）激光器。QDL是一种特殊的激光器，能够从一个芯片上同时产生多个波长的激光器。量子点并不是一种新技术，但现有的实现依赖于相对较低的数据速率--大约每秒几千兆比特的数据速率。要实现高带宽，需要大量的并行通道。Ranovus表示，他们不仅能够设计出具有大量波长的激光器，而且能够实现非常高的数据速率。我们说的是100Gbps甚至更高，这比我们最近看到的其他一些技术演示要高数倍。关于他们的技术，需要注意的关键是，这不是一个实验室的演示。Ranovus公司的第一款基于该技术的产品是37波长激光器。该公司早在2012年就已经演示了该技术。

作为Ranovus产品组合的一部分，另一项关键技术是使用环形谐振器。我们之前已经讨论过环形谐振器。这些是有效的波长滤波器，可让它们在波导的单个波长上工作。当今市场上许多现有技术都使用MZM，例如Intel和Luxtera生产的MZM（尽管环由合作伙伴Ayar Labs使用）。如今，环的好处已广为人知，其中包括占地面积减少多个数量级，带宽更高，能量效率更高。
作为Ranovus产品组合的一个单独的关键技术是环形共振器的使用。我们之前已经谈到过环形谐振器。它们实际上是一种波长滤波器，可以让它们在波导的单一波长上工作。目前市场上的许多现有技术都使用MZM，如英特尔和Luxtera公司生产的MZM（虽然环形谐振器是由其合作伙伴Ayar Labs公司使用的）。
Odin 8平台
Ranovus推出的是Odin 8硅光子引擎。Odin 8是一个基础产品，在此基础上，还可以开发出更复杂的产品。这是一个硅光子芯片，在一个单片机集成电路上集成了所有的分流器、调制器和其他的连接，激光器附着在硅上。有八个光通道输入，八个光通道输出。

八个光通道中的每个通道当前都能够支持100G / 64G / 50G PAM4或50G / 32G / 25G NRZ或PCIe Gen 5或Gen6。该芯片被设计为光电接口。芯片的一侧是协议无关的接口，可以将其映射到光接口上。例如，Odin 8可以将PCIe Gen 5/6映射到光波长上。
Ranovus表示，他们已经在机器学习市场上的四家主要厂商中展示了其800G的性能。
800G以太网
Odin 8芯片是一个相当通用的芯片，它可以用于许多不同的应用。事实上，Ranovus公司本身就在使用Odin 8来开发800G以太网模块。他们已经与两家公司合作开发PAM4芯片，PAM4芯片将与Odin 8封装在一起，形成一个完整的模块。Odin 8芯片已准备就绪。。缺少的是在100G下运行的PAM4，目前尚不存在。他们正在与多家供应商合作，准备制作完整的模块。预计明年一季度开始市场部署。

在下图中，蓝色芯片是Odin 8，红色芯片是PAM4。值得强调的是，模块本身几乎没有任何其他组件！就多么简单，这应该使其成为非常具有成本效益的产品。

Odin 32 – 51.2T
Odin 8芯片的优点之一是它足够紧凑并以允许扩展。Ranovus还宣布了Odin 32，它将多个Odin 8共同封装在一起，以扩展到更多的光纤通道。在下面的共封装中，你可以看到多个Odin 8芯片如何被剪接到一个共封装产品上。Ranovus与许多行业合作伙伴合作，使整个技术得以实现。他们与IBM合作开发了光纤V型槽互连封装技术，是一种用于将光纤与光子器件对接的封装技术。这种工艺利用无源对准技术，在O波段和C波段的宽光谱范围内实现了低插入损耗。他们还与TE合作开发共封装(CP)精密螺距插接器技术，与Senko合作开发光纤连接技术。

来自中央芯片的电信号进入Odin 8芯片，该芯片被转换为光学信号以发送出去。这种大型的共封装芯片与各个Odin 8模块之间的唯一区别是激光器发出的光在外部充当远程激光源。在我们之前描述的单个Odin 8芯片中，激光直接连接到硅光子IC。顺便说一下，在该产品中，光学引擎提供高达3.2 Tbps的带宽（8x400G FR4），是Odin 8的四倍。能够提供令人印象深刻的51.2 Tbps峰值带宽。
由于Odin 8使用了与技术无关的接口，因此该封装中间的芯片可以是任何芯片。尽管最早利用全部51.2 Tbps优势的产品很可能是网络交换机。您也可以将FPGA放在中间，并提供自定义的连接产品。这正是Ranovus试图做的。Ranovus说，许多客户正在针对需要高容量横向扩展功能的以太网交换机解决方案以及FPGA，NPU和GPU等加速器进行测试和验证。该封装上的连接也不必是100G或全光纤。例如，Nvidia GPU当前使用25G NVLink，因此更合适的Odin 32配置可以是许多本地铜缆连接和许多25G光纤扇出。
Odin 32的封装选择也会因产品而异。对于那些只需要几个连接的产品，有一些较小的配置，而不是像上图中的旗舰级封装的16个芯片。事实上，这可以缩减到只需要一颗Odin 8芯片，运行速度为800 Gbps到3.2 Tbps，这对于现在的许多GPU和NPU来说已经足够了。预计将于明年年底发布基于Odin 32的多款产品。

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晓木虫

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