OFC 2021: Ayar Labs实现1Tbps无差错的光芯片间信号互联

这篇笔记介绍下Ayar Labs在OFC 2021上报道的几个最新进展， 1) 1Tbps无差错的光信号互联 2) 多通道多波长的光模块

3) 其与Intel合作，实现了8Tbps的共封装FPGA

关于Ayar Labs公司的介绍以及技术路线细节，可以参看这篇笔记Ayar Labs公司的硅光子互联技术。其核心技术是借助于硅光芯片，使用光信号取代铜线实现chiplet间的信号互联(也称为optical I/O)，其架构图如下图所示，

最终，硅光芯片与CPU/GPU/FPGA等计算芯片封装在一起，通过光纤与其他芯片互联（上图中的红线）。

Ayar Labs采用的光源模块称为SuperNova, 其结构如下图所示，

SuperNova采用商用的DFB激光器阵列(与Macom合作)，输出8个波长(图中标记的是16个波长，但后续实验中采用的是8波长)，通道间隔为400GHz。DFB阵列与PLC构成的Mux与分路器相连，首先通过MUX将多波长合束到单一通道中，接着再通过splitter将光信号分发到多个端口。PLC通过V-groove与光纤阵列相连。最终封装好的SuperNova如下图所示，带着一个小尾巴，

SuperNova共有8个输出端口，每个端口含8个波长，共有64组波长通道，下图是每个通道的功率数据，平均光功率为5.3mW, 不同通道的偏差有2mW左右。

（图片来自文献1）

将SuperNova与其光电芯片TeraPHY相连，典型的链路如下图所示，

TeraPHY中包含8个Tx/Rx，每个通道的信号速率可以达到25Gbps，因此总的信号速率为25*64=1.6Tbps。Tx端主要为微环调制器，Rx端主要是微环滤波器。其测试结果如下图所示，

（图片来自文献1）

25Gbps时Rx端的眼图有些差，在芯片内集成了Equalization模块。芯片的功耗为5pJ/bit (不包含激光器)，主要功耗来源于Rx和时钟。

8个端口的误码率测试结果如下图所示，误码率为0。

（图片来自文献1）

此外Intel与Ayar Labs合作，实现了8Tbps的共封装FPGA，将optical I/O的实用化进程向前推进了一步。整个芯片的结构如下图所示，

（图片来自文献2）

Intel的FPGA芯片Stratix 10通过EMIB技术与5颗TeraPHY芯片相连。EMIB技术全称为Embedded Multi-die Interconnect Bridge, 是Intel开发的一项2.5D封装技术，如下图所示。EMIB为Substrate最顶层两层金属，局部bump的pitch只有几十微米。两颗die通过EMIB互联。

（图片来自https://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/pdf/foundry/sunit-rikhi-2014-idf-presentation.pdf）

Intel并没有展示过多的实验结果，侧重于讨论多颗芯片的共封装问题，其结构示意图如下图所示，

（图片来自文献2）

利用光来实现芯片间的高速信号互联，除了功耗的优势之外，还有波长这个光学独有的资源。通过使用多个波长通道，可以实现更大通量的信号传输。这也是Ayar Labs研发SuperNova的原因。他们也在积极推动CW-WDM这一MSA标准。Ayar Labs通过与Intel等合作，正在稳步地推进Optical I/O这一技术路线，将光互联推进到芯片间这一尺度，期待这一领域更多的进展。

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参考文献：

1. M. Wade, et.al., "An Error-free 1 Tbps WDM Optical I/O Chiplet and

Multi-wavelength Multi-port Laser", OFC 2021

2. K. Hosseini, et.al., "8 Tbps Co-Packaged FPGA and Silicon Photonics

Optical IO", OFC 2021