摘要

  數據中心流量的爆炸式增長推動了對更高帶寬、更高能源效率光互連的需求。硅基光電子技術與電子-光子共封裝是前景廣闊的解決方案。本文綜述博通公司的最新工作，展示了高密度組裝、遠端激光器一體化和光連接器等光電共封裝的關鍵技術。提出一種“半封裝”的光交換原型系統，與傳統光模塊相比可實現匹配的帶寬密度提升一倍的功率節約。文章還討論了規模化生產下進一步提升密度、功效率和降低成本的前景。

  前言

  云計算、AI、5G、物聯網等業務的爆炸式增長使數據中心網絡帶寬面臨嚴重的瓶頸。銅質電接口在密度、散熱和傳輸距離方面正碰到基本物理極限。雖然可插拔光模塊暫時緩解了這些問題，但是在 400G 以上速率擴展時會面臨密度、功效率和成本的挑戰。硅基光電子與先進電子-光子共封裝(簡稱共封裝)可實現數量級的飛躍，大幅提高帶寬密度、能源效率和成本效益。這是通過應用大批量 CMOS 工藝實現光子與交換/計算 ASIC 的高密度集成來實現的。異質集成的高速光電子系統可實現更緊密的結合，解鎖性能、功效率和可擴展性的優勢。 本文綜述博通的最新工作，展示實現高密度數據中心光交換共封裝所需的關鍵技術。提出一種“半封裝”光交換原型系統，相比傳統光模塊可實現一半的功率[1]。文章還討論了共封裝在密度、功效率、可靠性和成本方面的進一步提升前景。

  高密度組裝

  共封裝的關鍵技術之一是實現超高密度電-光 I/O 引腳配準。博通的 SCIP(Silicon Chiplet Photonics Package)技術利用 TSV 和高密度鍵合，實現硅基光電子chip 和 ASIC chip 在 130um 引腳距下對準(圖 1)[1]。高密度短距(<150 um)線路實現了每比特能量效率低于 1pJ，比現有技術提高 10 倍。博通實現高密度三維堆疊芯片級封裝，采用晶圓鍵合的加工過的 ASIC 和光子晶圓 (圖 2)[1]。實現穩定的對準和鍵合以及晶圓薄化(75 um)、TSV 開槽均勻性和隱形切割等技術對高密度集成至關重要。隨后基板上順序共封裝鍵合的芯片/光學引擎和 ASIC 利用焊膏回流和精確的底部充填來實現。

圖 1. I/O 引腳配準

圖 2. 高密度 CoW 組裝技術

  遠端激光器一體化

  由于硅基光電子無法一體化集成激光器，因此需要使用遠端激光模塊(RLM)提供光源[1]。博通設計實現熱插拔 RLM，遵循 QSFP-DD 標準，單通道提供高達 21dBm 的光功率并實現安全鎖定(圖 3)[1]。RLM 實現與光引擎的連接器盲配對，方便維護更換。

圖 3. 遠端激光器模塊：上為背視圖，下為組裝視圖

  光連接器

  博通還研發了適用于回流焊接的中端密度(127 um 引腳距)熱插拔光連接器，使光電共封裝系統可以實現插座安裝或焊接安裝的靈活性(圖 4)[1]。該定制連接器應用成熟的光纖陣列工藝確保可靠性，并支持現場更換。博通已在 14.43mm 的緊湊光子芯片邊緣演示了低損耗、可重復配對高達 72 對光纖的光連接器。這種“插拔式”共封裝光系統簡化了組裝和升級。

圖 4. 光連接器

  系統集成與性能

  圖 5 展示博通“半封裝”光交換原型系統[1]。4 個光引擎每個包含 32 路 100Gbps 與 ASIC 芯片共封裝。RLM 提供光源，每個包含 8 個激光器的 RLM 支持每個光引擎的 32 個發送通道。芯片與光引擎之間的電插入損耗僅 2-3 dB，比可插拔模塊低 5 倍(圖 6、7)，從而將接口功耗降低一半。共封裝光系統符合 IEEE 標準，接收機靈敏度余量充足(圖 8、9)。

圖 5. 半封裝光交換原型，拆下上蓋

圖 6. ASIC 發射機至光引擎的電信道插入損耗

圖 7. 光引擎接收機至 ASIC 的電信道插入損耗

圖 8. 共封裝光系統發射機性能

圖 9. 共封裝光系統接收機性能

  討論

  該半封裝光原型系統證明共封裝光學可交付與可插拔模塊相當的帶寬，功耗僅為其一半。盡管還需要進一步工程化實現全面商用，但密度、效率和性能的重大提升源自緊密的共封裝。將這些技術推廣至先進 CMOS 工藝和新一代光子技術，將可實現更高密度的帶寬擴展。

  可靠性、熱設計、制造能力、組裝成本及軟件集成等技術挑戰仍待解決。但是，考慮到數據中心業務量的陡峭指數增長，規模化應用帶來的功率和成本節約非常可觀。共封裝技術的推廣類似 2.5D 硅基板載板用于 ASIC 集成的快速發展。集成激光器、光背板和先進 CMOS 光互連等前沿技術進展非常樂觀。

  未來十年，共封裝光技術將應用于主流以突破高性能計算和網絡中的銅質瓶頸。博通等公司在高密度光子集成功和先進三維封裝等關鍵技術的重要進展奠定了實現這一顛覆性變革的基礎。

  參考文獻

  [1]Muth， K et al： “Key Technology Enablers for Co-packaged Optics” September 2022， Invited paper， ECOC， Basel， Switzerland

  [2]K. Muth， V. Raghuraman， S. Kannan and H. Potluri， "High Density Integration Technologies for SiPh Based Optical I/Os，" 2023 IEEE 73rd Electronic Components and Technology Conference (ECTC)， Orlando， FL， USA， 2023， pp. 212-215， doi： 10.1109/ECTC51909.2023.00044.