臺積電第一代1.6 Tbps硅光子和CPO產(chǎn)品有望于2025年量產(chǎn)

  據(jù)臺灣《經(jīng)濟(jì)日報》報道，臺積電硅光(SiPh)和光電合封(CPO)技術(shù)戰(zhàn)略取得重大進(jìn)展，近日成功實現(xiàn)CPO與先進(jìn)半導(dǎo)體封裝技術(shù)的集成。臺積電與博通合作，在3nm工藝上調(diào)試成功CPO關(guān)鍵技術(shù)——微環(huán)調(diào)制器(MRM)，預(yù)計2025年初可以交付樣品，有望在2025年下半年量產(chǎn)1.6Tbps光電器件。這將開啟CPO與高性能計算(HPC)和AI ASIC芯片的集成之路，實現(xiàn)計算從電信號傳輸?shù)焦庑盘柕闹卮箫w躍。預(yù)計博通和英偉達(dá)將成為臺積電首批采用這種光電共封技術(shù)的客戶。

上圖是微環(huán)調(diào)制器(MRM)示意圖，顯示單頻光輸入經(jīng)過調(diào)制獲得一系列邊帶光輸出。

  《經(jīng)濟(jì)日報》進(jìn)一步援引業(yè)內(nèi)消息人士的話稱，英偉達(dá)計劃從GB300芯片開始采用這種CPO技術(shù)，隨后的Rubin架構(gòu)也將集成光電模塊，希望由此提高通信質(zhì)量并減輕 HPC 應(yīng)用中的信號干擾和過熱問題，解決當(dāng)前NVLink 72互連(最多連接72個GB200芯片)的局限性。

  硅光和CPO將成為新一代HPC/AI應(yīng)用的突破性技術(shù)

  隨著AI熱潮推動高性能計算(HPC)需求，SiPh和CPO有望突破摩爾定律的局限，成為未來HPC和AI應(yīng)用的突破性技術(shù)平臺。SiPh將電子和光子通過先進(jìn)封裝集成到同一芯片中，信號可以通過光波導(dǎo)傳輸。在硅芯片中集成光波導(dǎo)元件可以同時處理電信號和光信號，不但能夠成倍提高處理器內(nèi)核之間的數(shù)據(jù)傳輸速度，而且可以縮小芯片尺寸，降低功耗和生產(chǎn)成本。

  除了HPC和AI應(yīng)用外，光子元件也是激光雷達(dá)和醫(yī)療傳感器的理想選擇。

新一代HPC/AI技術(shù)平臺將通過先進(jìn)封裝集成邏輯芯片、存儲器和硅光器件。

  AI應(yīng)用和高性能計算對芯片數(shù)據(jù)傳輸與運(yùn)算速度的需求大幅提升，英特爾與臺積電都在力推硅光子應(yīng)用，因為其高帶寬、低功耗、傳輸范圍廣、節(jié)省成本等優(yōu)勢，有望成為解決AI能效與算力挑戰(zhàn)的有效方案。

  臺灣工研院產(chǎn)學(xué)研國際戰(zhàn)略中心指出，AI與高端數(shù)據(jù)中心將是硅光子市場爆發(fā)的突破點，預(yù)期該技術(shù)將從光收發(fā)器演進(jìn)至CPO 和Optical I/O。預(yù)估2022年至2027年全球SiPh裸片市場年復(fù)合增長率高達(dá)48.2%，異質(zhì)集成與先進(jìn)封裝的實現(xiàn)將成為技術(shù)發(fā)展重點，但需要更多創(chuàng)新材料。

  然而，SiPh仍有許多技術(shù)障礙尚未克服。早在10多年前，英特爾就已經(jīng)將SiPh視為推進(jìn)封裝技術(shù)的關(guān)鍵，但到目前尚未實現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)。臺積電與多家業(yè)界合作伙伴成立硅光子產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，基于其COmpact Universal Photonic Engine (COUPE)技術(shù)的SiPh產(chǎn)品有望在2025年實現(xiàn)量產(chǎn)。

  TSMC COUPE

  為應(yīng)對 AI 熱潮帶來的數(shù)據(jù)傳輸量激增需求，臺積電著手開發(fā)緊湊型通用光子引擎 (COUPE) 技術(shù)。COUPE采用SoIC-X芯片堆疊技術(shù)，將電子芯片堆疊在光子芯片之上，從而降低芯片間連接的阻抗，并提高能源效率，其效果優(yōu)于傳統(tǒng)堆疊方法。臺積電計劃在2025年在小型可插拔器件上驗證COUPE，隨后在2026 年將其以CPO形式集成到 CoWoS 封裝中，將光學(xué)連接直接引入芯片封裝中。

  臺積電與日月光和富士康等大廠聯(lián)合成立了SiPh聯(lián)盟，以推動硅光技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，整合上下游資源，共同推動臺灣加速SiPh產(chǎn)業(yè)發(fā)展。據(jù)悉，Google是采用SiPh技術(shù)最積極的云服務(wù)商(CSP)之一，已開始部署800G SiPh收發(fā)器。

TSMC針對新一代網(wǎng)絡(luò)通信的3D光學(xué)引擎發(fā)展規(guī)劃

  臺積電第一代3D光學(xué)引擎 (COUPE) 將集成到運(yùn)行速度為1.6 Tbps的OSFP可插拔基板上，這一傳輸速率已經(jīng)遠(yuǎn)超當(dāng)前銅纜以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)(最高800 Gbps)，凸顯了光學(xué)互連對于網(wǎng)絡(luò)密集型計算集群的直接帶寬優(yōu)勢，更不用說預(yù)期的節(jié)能效果了。看來TSMC的硅光技術(shù)開發(fā)進(jìn)度比原計劃還要快。

  展望未來，第二代 COUPE 將以CPO形式集成到 CoWoS 封裝中。與第一代相比，此版本的COUPE 將支持高達(dá) 6.40 Tbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率，且延遲更低。

  臺積電第三代 COUPE(COUPE集成在CoWoS中介層上)預(yù)計將更進(jìn)一步，將傳輸速率提高到 12.8 Tbps，同時使光學(xué)連接更接近處理器本身。目前，COUPE-on-CoWoS 正處于探索階段，臺積電尚未設(shè)定目標(biāo)日期。