Intel实现5.12Tbp带宽的Optical IO 链路演示

Intel最近报道了其与Ayar Labs的最新合作成果，他们使用FPGA与硅光芯片构成optical IO链路，首次验证了5.12Tbps带宽的信号互联。这篇笔记主要对这一进展做些介绍。

研究人员将Intel的一颗Stratix10 FPGA芯片与Ayar Labs的五颗TeraPHY封装在一起，两者都放置在衬底上，通过EMIB技术进行互联，如下图所示，

（图片来自文献1）

关于Ayar Labs的TeraPHY, 小豆芽的这篇笔记有相关介绍(OFC 2021: Ayar Labs实现1Tbps无差错的光芯片间信号互联)，这里不再赘述。单颗TeraPHY芯片包含8个macro, 每个macro含8个波长的信号，每个波长的信号速率为16Gbps, 单颗TeraPHY可实现1Tbps(16Gbps*8*8)的单向信号传输，误码率低于1e-12。

将这五颗芯片封装一起，形成所谓的MCP(muli-chip package), 其工艺比单颗光芯片的封装要复杂得多，主要涉及以下工艺步骤：芯片减薄、切割(singulation)、贴片、底部填充(underfil)和光纤的粘接(fiber attach)。在芯片组装的过程中，可能会出现芯片崩边(chipping)的情况。因此需要对芯片的厚度进行优化，underfil工艺也要因为电芯片与光芯片的厚度差而进行优化。

每个TeraPHY芯片含有一个24端口的光纤阵列，整个MCP共含有120根保偏光纤。光纤阵列的一头与光芯片相连，另一头与MT连接头相连，连接头处的插损为0.35dB。

研究人员将两个MCP模块通过光纤互联，形成FPGA-TeraPHY-TeraPHY-FPGA的信号链路，如下图所示，第一个FPGA的电信号首先转换成光信号上，通过第一颗TeraPHY芯片经过光纤传递到另一颗TeraPHY上，再转换为电信号传递到第二颗FPGA芯片。

（图片来自文献1）

每个TeraPHY提供三个macro，用于形成15个互联的链路，对应的信号带宽为15*8*16Gbps=1.92Tbps, 这15个link的测试结果如下图所示，链路的BER都小于1e-11, 平均BER值为6.9e-12，系统的功耗为4.9-5.0pJ/bit。

(图片来自文献1）

而每个TeraPHY剩余的5个maco，并未与FPGA相连，而是形成loopback的回路，这样整个系统的带宽为5.12Tbps。相应的测试结果如下图所示，链路的误码率也都在1e-11以下。

(图片来自文献1）

以上是对Intel的5.12Tbps optical IO这一进展的简单介绍，相比于OFC2021上的报道，此次报道添加了系统的实测链路数据，OFC2021上更多的是封装的热仿真结果。从Intel文章中的表述可以看出，其克服了封装上的很多工程难题，使得CPO系统可以稳定地工作。MCP中的热管理是一个技术难点，涉及到多颗芯片间的热串扰、光纤阵列粘接处的散热片处理、基于热效应的微环工作波长校准等。虽然Optical IO的概念提出了很久，但是更多的是光学链路的演示结果，Intel的该进展首次实现了FPGA-optics-FPGA链路的演示，并且误码率达到了1e-11，功耗小于5pJ/bit，是Optical IO商用化进程中的重要里程碑。

参考文献：

1. K. Hosseini, et.al., "5.12 Tbps Co-Packaged FPGA and Silicon Photonics Interconnect I/O", VLSI Technology and Circuits, 2022