Broadcom的硅基光電子高密度CPO關(guān)鍵技術(shù)解析

  摘要

  數(shù)據(jù)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(shù)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(guān)鍵技術(shù)。提出一種“半封裝”的光交換原型系統(tǒng)，與傳統(tǒng)光模塊相比可實現(xiàn)匹配的帶寬密度提升一倍的功率節(jié)約。文章還討論了規(guī)模化生產(chǎn)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(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)的爆炸式增長使數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)帶寬面臨嚴重的瓶頸。銅質(zhì)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(zhàn)。硅基光電子與先進電子-光子共封裝(簡稱共封裝)可實現(xiàn)數(shù)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(yīng)用大批量 CMOS 工藝實現(xiàn)光子與交換/計算 ASIC 的高密度集成來實現(xiàn)的。異質(zhì)集成的高速光電子系統(tǒng)可實現(xiàn)更緊密的結(jié)合，解鎖性能、功效率和可擴展性的優(yōu)勢。 本文綜述博通的最新工作，展示實現(xiàn)高密度數(shù)據(jù)中心光交換共封裝所需的關(guān)鍵技術(shù)。提出一種“半封裝”光交換原型系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)光模塊可實現(xiàn)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(guān)鍵技術(shù)之一是實現(xiàn)超高密度電-光 I/O 引腳配準。博通的 SCIP(Silicon Chiplet Photonics Package)技術(shù)利用 TSV 和高密度鍵合，實現(xiàn)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(xiàn)了每比特能量效率低于 1pJ，比現(xiàn)有技術(shù)提高 10 倍。博通實現(xiàn)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(xiàn)穩(wěn)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(shù)對高密度集成至關(guān)重要。隨后基板上順序共封裝鍵合的芯片/光學(xué)引擎和 ASIC 利用焊膏回流和精確的底部充填來實現(xiàn)。

圖 1. I/O 引腳配準

圖 2. 高密度 CoW 組裝技術(shù)

  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(shè)計實現(xiàn)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(xiàn)安全鎖定(圖 3)[1]。RLM 實現(xiàn)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(fā)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(tǒng)可以實現(xiàn)插座安裝或焊接安裝的靈活性(圖 4)[1]。該定制連接器應(yīng)用成熟的光纖陣列工藝確保可靠性，并支持現(xiàn)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(fù)配對高達 72 對光纖的光連接器。這種“插拔式”共封裝光系統(tǒng)簡化了組裝和升級。

圖 4. 光連接器

  系統(tǒng)集成與性能

  圖 5 展示博通“半封裝”光交換原型系統(tǒng)[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(fā)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(tǒng)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(fā)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(tǒng)發(fā)射機性能

圖 9. 共封裝光系統(tǒng)接收機性能

  討論

  該半封裝光原型系統(tǒng)證明共封裝光學(xué)可交付與可插拔模塊相當?shù)膸?，功耗僅為其一半。盡管還需要進一步工程化實現(xiàn)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(shù)推廣至先進 CMOS 工藝和新一代光子技術(shù)，將可實現(xiàn)更高密度的帶寬擴展。

  可靠性、熱設(shè)計、制造能力、組裝成本及軟件集成等技術(shù)挑戰(zhàn)仍待解決。但是，考慮到數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)量的陡峭指數(shù)增長，規(guī)?；瘧?yīng)用帶來的功率和成本節(jié)約非?？捎^。共封裝技術(shù)的推廣類似 2.5D 硅基板載板用于 ASIC 集成的快速發(fā)展。集成激光器、光背板和先進 CMOS 光互連等前沿技術(shù)進展非常樂觀。

  未來十年，共封裝光技術(shù)將應(yīng)用于主流以突破高性能計算和網(wǎng)絡(luò)中的銅質(zhì)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(guān)鍵技術(shù)的重要進展奠定了實現(xiàn)這一顛覆性變革的基礎(chǔ)。

  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.