本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)“老石談芯”
人類文明的進(jìn)步,與“光”的使用密不可分。19 世紀(jì)晚期,英國(guó)物理學(xué)家丁達(dá)爾向人們揭示了光的全反射原理,這也解釋了光為何能在彎曲的水流或玻璃棒里向前傳播。自此,人們就開始了對(duì)光傳輸介質(zhì)的探尋。
上世紀(jì)中葉,高錕發(fā)表名為《光頻率介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》的論文。他創(chuàng)造性的提出,使用基于石英的玻璃纖維作為光傳輸介質(zhì),可以進(jìn)行長(zhǎng)距離的信息傳輸。由此,光纖逐漸登上歷史舞臺(tái)。和電纜相比,光纖在性能、可靠性、安全性等很多方面都有極大的提升,這也使得光纖成為了現(xiàn)代文明主要的通信介質(zhì)之一,并引發(fā)了一系列通信行業(yè)的根本性變革。
在半導(dǎo)體領(lǐng)域,當(dāng)前芯片間的主要互聯(lián)方式還是基于電氣連接。隨著距離的增加,數(shù)據(jù)傳輸帶寬會(huì)急劇下降,而由此帶來(lái)的能耗則會(huì)大幅上升。下圖就展示了芯片內(nèi)部、芯片與電路板、電路板之間等不同維度下,數(shù)據(jù)傳輸帶來(lái)的帶寬損失與能耗增長(zhǎng)??梢钥吹?,即使在板級(jí)通信時(shí)采用光纜傳輸,相比芯片內(nèi)部的傳輸速度和能效仍然下降了 4 個(gè)數(shù)量級(jí)。
為了解決這個(gè)問(wèn)題,業(yè)界已經(jīng)開始探尋能否在芯片互聯(lián)時(shí)使用光傳輸代替電傳輸,從而極大提升數(shù)據(jù)帶寬、減少傳輸能耗、并延長(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x。在這其中,硅光子芯片技術(shù)正在獲得越來(lái)越多的關(guān)注。
近日,一家名為 Ayar Labs 的初創(chuàng)公司展示了一款名為 TeraPHY 的光學(xué)收發(fā)器。這個(gè)光學(xué)收發(fā)器以芯粒(chiplet)的形式集成在英特爾 Stratix10 FPGA 上,可以達(dá)到 2Tbps 的數(shù)據(jù)帶寬,傳輸距離最高可達(dá) 2 公里,而傳輸功耗則不超過(guò)每比特 1pJ(10 的 -12 次方)。
動(dòng)圖,左側(cè)是兩個(gè)光子芯粒,中間是 Stratix10
相比之下,目前 FPGA 使用的 PAM4 收發(fā)器速率最高為 58Gbps,NRZ 收發(fā)器最高速率為 30Gbps,而當(dāng)前電氣收發(fā)器的路線圖也只不過(guò)安排到了 112Gbps。也就是說(shuō),這種光學(xué)收發(fā)器至少可以取得近 20 倍的性能提升,傳輸距離和功耗更不可同日而語(yǔ),而這也將 FPGA 收發(fā)器的性能帶到了一個(gè)全新的高度。
Ayar Labs 與光子芯片
Ayar Labs 成立于 2015 年,總部位于美國(guó)加州。它是 MIT 的孵化企業(yè),創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)大都來(lái)自 MIT、UC Berkeley 等美國(guó)頂尖高校。Ayar Labs 先后獲得了英特爾資本、格羅方德(GlobalFoundries)以及洛克希德馬丁等公司的數(shù)千萬(wàn)美元戰(zhàn)略投資。
Ayar Labs 專攻的主要領(lǐng)域就是芯片級(jí)的光子傳輸,前文提到的 TeraPHY 就是該公司目前的主打產(chǎn)品。TeraPHY 的研發(fā)主要得到了美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)的項(xiàng)目支持。
在 2019 年的 HotChips 大會(huì)上,Ayar Labs 正式推出了 TeraPHY,并在前不久正式對(duì)這個(gè)光學(xué)收發(fā)器的性能進(jìn)行了在線演示。在接下來(lái)的文章中,我將詳細(xì)介紹 TeraPHY 的技術(shù)細(xì)節(jié),特別是它的光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸方式,以及它是如何與 FPGA 進(jìn)行異構(gòu)集成的。
Ayar Labs 在 2019 年 HotChips 大會(huì)的講稿幻燈片,已上傳至知識(shí)星球“老石談芯 - 進(jìn)階版”,請(qǐng)?jiān)谖哪叽a進(jìn)入星球查看。
TeraPHY:光電轉(zhuǎn)換的奧秘
光學(xué)收發(fā)器 TeraPHY 最重要的技術(shù)創(chuàng)新,在于它解決了光信號(hào)的“調(diào)制”和“解調(diào)”兩個(gè)主要問(wèn)題。這其中具體的物理學(xué)細(xì)節(jié)在本文不再贅述,下一段中,我嘗試簡(jiǎn)單介紹其中的主要原理,不感興趣的同學(xué)可以直接略過(guò)這部分。
簡(jiǎn)言之,它利用了類似于定向耦合器的原理,當(dāng)兩個(gè)光傳輸介質(zhì)足夠靠近時(shí),其中一個(gè)介質(zhì)里的能量就能耦合到另一個(gè)。此時(shí)如果在一個(gè)介質(zhì)上加入電場(chǎng),就可以改變光在這個(gè)介質(zhì)中的傳播速度,從而控制光波的相位。通過(guò)這個(gè)過(guò)程,電信號(hào)的變化就轉(zhuǎn)變成了光信號(hào)的變化。之后當(dāng)兩個(gè)介質(zhì)里的光再次耦合時(shí),由于光波的干涉原理,就會(huì)產(chǎn)生不同振幅。如果把波峰看成 1,波谷看成 0,那光波的不同振幅就可以解碼成由 0 和 1 組成的數(shù)字信號(hào),也就完成了光到電的轉(zhuǎn)換。這個(gè)過(guò)程就是著名的馬赫 - 曾德爾干涉儀的工作原理。
Ayar Labs 發(fā)明了一種環(huán)形諧振器(microring resonator),來(lái)實(shí)現(xiàn)上述的過(guò)程。相比馬赫 - 曾德爾干涉儀,這種環(huán)形諧振器的尺寸要小 100 倍,能效高 50 倍,數(shù)據(jù)傳輸密度也要高 25-50 倍。通過(guò)使用這種裝置,可以實(shí)現(xiàn) 25Gbps 到 100Gbps 的傳輸帶寬。
此外,由于不同波長(zhǎng)的光在同一介質(zhì)里傳輸時(shí)不會(huì)相互影響,可以采用多種不同的波長(zhǎng)代表不同的比特位,這樣就實(shí)現(xiàn)了一定程度上的并行數(shù)據(jù)傳輸。
下圖展示了 TeraPHY 單個(gè)通道的收發(fā)過(guò)程,可以看到,這里采用了四種不同波長(zhǎng)的光。在發(fā)送端,利用環(huán)形諧振器將不同比特位的數(shù)據(jù)分別調(diào)制到這四種光波上,并利用光纖進(jìn)行傳輸。在接收端,再利用環(huán)形諧振器進(jìn)行解調(diào),將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號(hào)。
值得注意的是,為了提供穩(wěn)定的初始光源,Ayar Labs 還開發(fā)了一款名為 SuperNova 的激光源,它能夠提供最多 256 種波長(zhǎng)的光波,等效 8.192Tbps 的數(shù)據(jù)帶寬。
SuperNova 激光源
在 HotChips19 大會(huì)上,Ayar Labs 公布了一個(gè) TeraPHY 的測(cè)試芯片設(shè)計(jì)。在發(fā)送端,包含 5 個(gè)光學(xué)宏單元,每個(gè)宏單元支持 16 個(gè)通道,每通道 25Gbps 帶寬,共計(jì) 2Tbps。
發(fā)送端光學(xué)宏單元的芯片版圖和架構(gòu)圖
在接收端則包含 3 個(gè)宏單元,共計(jì) 1.2Tbps 帶寬。
接收端光學(xué)宏單元的芯片版圖和架構(gòu)圖
光學(xué)芯粒與 FPGA 的異構(gòu)集成
TeraPHY 剛面世時(shí),它被同構(gòu)集成到一個(gè) RISC-V CPU 芯片中,并代替了原有的 CPU IO 收發(fā)器。然而,這種同構(gòu)設(shè)計(jì)的靈活性十分有限,例如,如果需要把 TeraPHY 用于其他芯片系統(tǒng),則需要重新設(shè)計(jì)和生產(chǎn)整個(gè)芯片。
在芯粒(chiplet)設(shè)計(jì)大行其道的今天,將 TeraPHY 做成芯粒就成為了非常合理的選擇。在之前的文章中,曾詳細(xì)介紹過(guò)英特爾的 EMIB 技術(shù)。EMIB 最大的優(yōu)點(diǎn)在于它降低了系統(tǒng)的制造復(fù)雜度,并降低了不同硅片與芯粒間的傳輸延時(shí)。由于無(wú)需制造覆蓋整個(gè)芯片的硅中介層、以及遍布在硅中介層上的大量硅通孔,EMIB 只需使用較小的硅橋在硅片間進(jìn)行互聯(lián)就可以滿足硅片間的互聯(lián)需求。同樣的,由芯片 I/O 至封裝引腳的連接和普通封裝技術(shù)相比并未變化,因而無(wú)需再通過(guò) TSV 或硅中介層進(jìn)行走線。對(duì)于模擬器件(如收發(fā)器)而言,由于不存在通用的中介層,因此對(duì)高速信號(hào)的干擾明顯降低。
英特爾的 Stratix10 FPGA 中就使用了 EMIB 技術(shù)集成了不同速率的收發(fā)器和高帶寬存儲(chǔ)器(HBM)。此外,EMIB 還能用來(lái)連接多個(gè) FPGA 硅片,通過(guò)這種方法,英特爾制造出了目前世界上最大的 FPGA – Stratix10 GX 10M。
這樣,Ayar Labs 就將 TeraPHY 做成了芯粒的形式,它使用了格羅方德的 45 納米 RF SOI CMOS 工藝制造,在光學(xué)輸出端包含 10 個(gè)光學(xué)宏單元,最高傳輸速率可達(dá) 2.56Tbps。
在電氣連接端,使用了名為 AIB(Advanced Interface Bus)的物理層協(xié)議。AIB 是英特爾推出的一個(gè)異構(gòu)互聯(lián)的開放物理層協(xié)議,關(guān)于它的技術(shù)細(xì)節(jié)在本文不再詳述,它的技術(shù)白皮書已上傳至知識(shí)星球“老石談芯進(jìn)階版”,文末掃碼進(jìn)入星球查看并參與討論。
最后,TeraPHY 與 FPGA 硅片之間通過(guò) EMIB 進(jìn)行互聯(lián),并完成芯片封裝,這也就是所謂的多芯片封裝:Multi-Chip Package(MCP)。
這是又一個(gè)使用 EMIB 進(jìn)行快速異構(gòu)集成的典型實(shí)例。通過(guò)使用這種方式,不用重新制造完整的芯片,只需要將現(xiàn)有的 FPGA 芯片與芯粒進(jìn)行互聯(lián)和封裝即可,極大提升了產(chǎn)品的靈活性,也大大降低了制造風(fēng)險(xiǎn)與成本。
在 Ayar Labs 最新發(fā)布的在線演示中,他們使用這個(gè)集成了光學(xué)收發(fā)器的 FPGA 進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸演示,并在 8 個(gè)光學(xué)鏈路下得到了 2Tbps 的數(shù)據(jù)吞吐量。Ayar Labs 預(yù)計(jì)將在未來(lái)達(dá)到超過(guò) 100Tbps 的吞吐量,同時(shí)每比特的傳輸功耗不超過(guò) 1pJ。
集成光學(xué)收發(fā)器的 Stratix10 FPGA 測(cè)試板卡,圖片來(lái)自 Ayar Labs
結(jié)語(yǔ)
制造玻璃的石英和制造芯片的半導(dǎo)體材料都源于沙子。正是這種取之不盡、用之不竭的材料,成為了推動(dòng)人類文明進(jìn)步的重要基石。而“點(diǎn)石成金”的背后,則是無(wú)數(shù)研究者的不斷鉆研與創(chuàng)新。如今,光和電在 FPGA 里進(jìn)行融合,并進(jìn)一步擴(kuò)展了數(shù)據(jù)傳輸?shù)那熬?。老石相信,這樣的技術(shù)創(chuàng)新還會(huì)不斷涌現(xiàn),并繼續(xù)推動(dòng)技術(shù)和文明向前進(jìn)步。
老石,微信公眾號(hào)“老石談芯”主理人,博士畢業(yè)于倫敦帝國(guó)理工大學(xué)電子工程系,現(xiàn)任某知名半導(dǎo)體公司高級(jí)FPGA研發(fā)工程師,深耕于FPGA的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)加速、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化、高速有線網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域的研發(fā)和創(chuàng)新工作。曾經(jīng)針對(duì)FPGA、近似計(jì)算、高性能與可重構(gòu)計(jì)算等技術(shù)在學(xué)術(shù)界頂級(jí)會(huì)議和期刊上發(fā)表過(guò)多篇研究論文。