首款2Tb/s三維集成硅光芯粒成功出樣

  隨著人工智能應用的快速發展，AI算力系統對于高效能互連技術的需求呈現爆發性增長態勢。為了滿足這一挑戰，業界正大力研發更大容量、更高速率、更高集成度的硅基光互連芯片解決方案，把硅光收發芯片直接集成到計算芯片附近或同一封裝內，將極大地減少信號傳輸的延遲和功耗，從而顯著提升算力系統的整體性能。然而，面向下一代單通道200G以上（200G per lane）的光接口速率需求，硅光方案在速率、功耗、集成度等方面面臨著巨大挑戰。

  近日，國家信息光電子創新中心（NOEIC）和鵬城實驗室的光電融合聯合團隊完成了2Tb/s硅光互連芯粒（chiplet）的研制和功能驗證，在國內首次驗證了3D硅基光電芯粒架構，實現了單片最高達8×256Gb/s的單向互連帶寬。

  團隊在2021年1.6T硅光互連芯片的基礎上，進一步突破了光電協同設計仿真方法，研制出硅光配套的單路超200G driver和TIA芯片, 并攻克了硅基光電三維堆疊封裝工藝技術，形成了一整套基于硅光芯片的3D芯粒集成方案。

2Tb/s 硅基3D集成光發射芯粒

2Tb/s 硅基3D集成光接收芯粒

硅光互連芯粒的側向顯微鏡結構

  該方案充分利用了硅光與CMOS封裝工藝兼容的特點，相比于傳統wirebond方案，3D芯粒能解決電芯片與光芯片間高密度、高帶寬電互連的困難，顯著降低射頻信號在光-電芯片互連過程中的嚴重衰減。經系統傳輸測試，8個通道在下一代光模塊標準的224Gb/s PAM4光信號速率下，TDECQ均在2dB以內。通過進一步鏈路均衡，最高可支持速率達8×256Gb/s，單片單向互連帶寬高達2Tb/s。

8×224Gb/s硅基光發射芯粒輸出眼圖

  該工作充分展現了3D集成硅光芯粒的優越互連性能，以及聯合團隊的領先自主研發水平。成果將廣泛應用于下一代算力系統和數據中心所需的CPO、NPO、LPO、LRO等各類光模塊產品中，為國內信息光電子技術的率先突圍探索出可行路徑。