一種全新的硅光子技術(shù)，可以將硅光子引入硅芯片

（文章來源：EETOP）
隨著硅光子學(xué)越來越接近計(jì)算，第一波高帶寬設(shè)備的浪潮已經(jīng)圍繞著數(shù)據(jù)中心到數(shù)據(jù)中心的長(zhǎng)距離連接展開。在過去的幾年里，該技術(shù)在數(shù)據(jù)中心內(nèi)逐漸普及。在這里將光學(xué)技術(shù)靠近計(jì)算，就意味著將光學(xué)技術(shù)帶到網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)z中。但交換機(jī)只讓我們到目前為止。最近，我們看到了業(yè)界率先將硅光子部件直接引入處理芯片本身的一些案例。成立于2012年的加拿大安大略省的Ranovus公司就是這樣一家一直在研究這項(xiàng)技術(shù)的公司。他們一直在研究各種硅光子技術(shù)。今天，我們就來談?wù)勊麄冞@些令人印象深刻的技術(shù)。

目前市場(chǎng)上流行的一些硅光收發(fā)器技術(shù)，如PSM4 QSFP 100G光收發(fā)器等，都是依靠在四個(gè)獨(dú)立的通道上傳播光信號(hào)。換句話說，光信號(hào)在四條平行的25G光纖上傳播。通過一種稱為波分復(fù)用（WDM）的技術(shù)，可以在單個(gè)光纖上承載多個(gè)波長(zhǎng)的激光光束。從PSM4轉(zhuǎn)換為CWDM4發(fā)射機(jī)意味著現(xiàn)在有了一根100G光纖。目前我們?cè)黾痈嗖ㄩL(zhǎng)的方式是通過增加更多的并行激光器。要提供16個(gè)甚至32個(gè)激光器，就意味著將32個(gè)激光器并排放置在一起。將這么多的激光器耦合在一起，會(huì)產(chǎn)生一些效率開銷和成本開銷。

Ranovus公司一直在研究幾種關(guān)鍵技術(shù)，使其光學(xué)產(chǎn)品得以實(shí)現(xiàn)。其中一項(xiàng)技術(shù)是基于量子點(diǎn)（梳子）激光器。QDL是一種特殊的激光器，能夠從一個(gè)芯片上同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)波長(zhǎng)的激光器。量子點(diǎn)并不是一種新技術(shù)，但現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)依賴于相對(duì)較低的數(shù)據(jù)速率--大約每秒幾千兆比特的數(shù)據(jù)速率。要實(shí)現(xiàn)高帶寬，需要大量的并行通道。Ranovus表示，他們不僅能夠設(shè)計(jì)出具有大量波長(zhǎng)的激光器，而且能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的數(shù)據(jù)速率。我們說的是100Gbps甚至更高，這比我們最近看到的其他一些技術(shù)演示要高數(shù)倍。關(guān)于他們的技術(shù)，需要注意的關(guān)鍵是，這不是一個(gè)實(shí)驗(yàn)室的演示。Ranovus公司的第一款基于該技術(shù)的產(chǎn)品是37波長(zhǎng)激光器。該公司早在2012年就已經(jīng)演示了該技術(shù)。

作為Ranovus產(chǎn)品組合的一部分，另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是使用環(huán)形諧振器。我們之前已經(jīng)討論過環(huán)形諧振器。這些是有效的波長(zhǎng)濾波器，可讓它們?cè)诓▽?dǎo)的單個(gè)波長(zhǎng)上工作。當(dāng)今市場(chǎng)上許多現(xiàn)有技術(shù)都使用MZM，例如Intel和Luxtera生產(chǎn)的MZM（盡管環(huán)由合作伙伴Ayar Labs使用）。如今，環(huán)的好處已廣為人知，其中包括占地面積減少多個(gè)數(shù)量級(jí)，帶寬更高，能量效率更高。

作為Ranovus產(chǎn)品組合的一個(gè)單獨(dú)的關(guān)鍵技術(shù)是環(huán)形共振器的使用。我們之前已經(jīng)談到過環(huán)形諧振器。它們實(shí)際上是一種波長(zhǎng)濾波器，可以讓它們?cè)诓▽?dǎo)的單一波長(zhǎng)上工作。目前市場(chǎng)上的許多現(xiàn)有技術(shù)都使用MZM，如英特爾和Luxtera公司生產(chǎn)的MZM（雖然環(huán)形諧振器是由其合作伙伴Ayar Labs公司使用的）。

Ranovus推出的是Odin 8硅光子引擎。Odin 8是一個(gè)基礎(chǔ)產(chǎn)品，在此基礎(chǔ)上，還可以開發(fā)出更復(fù)雜的產(chǎn)品。這是一個(gè)硅光子芯片，在一個(gè)單片機(jī)集成電路上集成了所有的分流器、調(diào)制器和其他的連接，激光器附著在硅上。有八個(gè)光通道輸入，八個(gè)光通道輸出。八個(gè)光通道中的每個(gè)通道當(dāng)前都能夠支持100G / 64G / 50G PAM4或50G / 32G / 25G NRZ或PCIe Gen 5或Gen6。該芯片被設(shè)計(jì)為光電接口。芯片的一側(cè)是協(xié)議無關(guān)的接口，可以將其映射到光接口上。例如，Odin 8可以將PCIe Gen 5/6映射到光波長(zhǎng)上。

Ranovus表示，他們已經(jīng)在機(jī)器學(xué)習(xí)市場(chǎng)上的四家主要廠商中展示了其800G的性能。Odin 8芯片是一個(gè)相當(dāng)通用的芯片，它可以用于許多不同的應(yīng)用。事實(shí)上，Ranovus公司本身就在使用Odin 8來開發(fā)800G以太網(wǎng)模塊。他們已經(jīng)與兩家公司合作開發(fā)PAM4芯片，PAM4芯片將與Odin 8封裝在一起，形成一個(gè)完整的模塊。Odin 8芯片已準(zhǔn)備就緒。。缺少的是在100G下運(yùn)行的PAM4，目前尚不存在。他們正在與多家供應(yīng)商合作，準(zhǔn)備制作完整的模塊。預(yù)計(jì)明年一季度開始市場(chǎng)部署。

Odin 8芯片的優(yōu)點(diǎn)之一是它足夠緊湊并以允許擴(kuò)展。Ranovus還宣布了Odin 32，它將多個(gè)Odin 8共同封裝在一起，以擴(kuò)展到更多的光纖通道。在下面的共封裝中，你可以看到多個(gè)Odin 8芯片如何被剪接到一個(gè)共封裝產(chǎn)品上。Ranovus與許多行業(yè)合作伙伴合作，使整個(gè)技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。他們與IBM合作開發(fā)了光纖V型槽互連封裝技術(shù)，是一種用于將光纖與光子器件對(duì)接的封裝技術(shù)。這種工藝?yán)脽o源對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，在O波段和C波段的寬光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了低插入損耗。他們還與TE合作開發(fā)共封裝(CP)精密螺距插接器技術(shù)，與Senko合作開發(fā)光纖連接技術(shù)。

來自中央芯片的電信號(hào)進(jìn)入Odin 8芯片，該芯片被轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號(hào)以發(fā)送出去。這種大型的共封裝芯片與各個(gè)Odin 8模塊之間的唯一區(qū)別是激光器發(fā)出的光在外部充當(dāng)遠(yuǎn)程激光源。在我們之前描述的單個(gè)Odin 8芯片中，激光直接連接到硅光子IC。順便說一下，在該產(chǎn)品中，光學(xué)引擎提供高達(dá)3.2 Tbps的帶寬（8x400G FR4），是Odin 8的四倍。能夠提供令人印象深刻的51.2 Tbps峰值帶寬。

由于Odin 8使用了與技術(shù)無關(guān)的接口，因此該封裝中間的芯片可以是任何芯片。盡管最早利用全部51.2 Tbps優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品很可能是網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。您也可以將FPGA放在中間，并提供自定義的連接產(chǎn)品。這正是Ranovus試圖做的。Ranovus說，許多客戶正在針對(duì)需要高容量橫向擴(kuò)展功能的以太網(wǎng)交換機(jī)解決方案以及FPGA，NPU和GPU等加速器進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。該封裝上的連接也不必是100G或全光纖。例如，Nvidia GPU當(dāng)前使用25G NVLink，因此更合適的Odin 32配置可以是許多本地銅纜連接和許多25G光纖扇出。

Odin 32的封裝選擇也會(huì)因產(chǎn)品而異。對(duì)于那些只需要幾個(gè)連接的產(chǎn)品，有一些較小的配置，而不是像上圖中的旗艦級(jí)封裝的16個(gè)芯片。事實(shí)上，這可以縮減到只需要一顆Odin 8芯片，運(yùn)行速度為800 Gbps到3.2 Tbps，這對(duì)于現(xiàn)在的許多GPU和NPU來說已經(jīng)足夠了。預(yù)計(jì)將于明年年底發(fā)布基于Odin 32的多款產(chǎn)品。
（責(zé)任編輯：fqj）