文/Sally Cole Johnson

圖1：傳輸速度為 4TB/s雙向帶寬的 TeraPHY 光 I/O 芯片。

Ayar Labs正在率先為人工智能（AI）系統(tǒng)架構(gòu)中的最大瓶頸提供解決方案：主要是在圖形處理器（GPU）或中央處理器（CPU）等計算芯片之間進行高帶寬數(shù)據(jù)傳輸。

如今，GPU和CPU之間的通信是通過銅線進行電路傳輸?shù)�。然而電子架�?gòu)的路線即將走向終點，而光信號則提供了一條更復雜的前進道路。未來的芯片到芯片之間的通信，將需要光子技術(shù)。

“我們的 TeraPHY 系列封裝光芯片可以與計算芯片封裝在一起，將光的數(shù)據(jù)流量轉(zhuǎn)換為電子的數(shù)據(jù)流量，從而使電子能夠‘與芯片上的系統(tǒng)對話’。然后，光離開封裝并傳播到另一個芯片上的另一個 TeraPHY，”Ayar Labs商業(yè)運營副總裁Terry Thorn 說，“它允許 TeraPHY 用它能理解的語言（即電子）與片上系統(tǒng)（SoC）對話，同時用光子實現(xiàn)封裝之間的通信。”與目前最先進的技術(shù)相比，這種技術(shù)大大改善了延遲、帶寬和能效。

“我們用SuperNova遠程多波長光源為芯片提供光源，”Thorn補充道，“對于芯片組（chiplet）中的每個傳輸組件，都必須有一個光源來傳輸數(shù)據(jù)，因此每個chiplet都有一個從SuperNova發(fā)出的光源。”

SuperNova 采用分布式反饋 (DFB) 激光陣列。第一代產(chǎn)品有 “8個端口，與芯片上的8個端口 1:1 配對，”Thorn解釋說，“每個端口或者SuperNova中的光纖分別攜帶8個波長。每個波長都是一個數(shù)據(jù)傳輸切片（transport slice）。8個端口乘以8個波長意味著64條數(shù)據(jù)路徑。”

目前正在設(shè)計的下一代SuperNova，預計將于2025年推出樣品，Ayar Labs 將保留其 8 端口配置，但將波長數(shù)增加一倍，達到 16 波長，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)路徑的加倍。Thorn說，“這就是我們的SuperNova所使用的激光陣列。”

在光子集成芯片方面，第二代 TeraPHY（將于 2025 年推出）的核心技術(shù)將保持不變。但一個重要的變化是轉(zhuǎn)向電子接口——通用芯片快速互連（UCIe）標準封裝。

“從采用的角度來看，符合行業(yè)標準對我們來說很重要。”Thorn說，“UCIe規(guī)范將極大助力第二代芯片的市場應用。”

UCIe 規(guī)范由計算芯片制造商使用，因此可以說，它為 Ayar Labs 提供了一個電氣著陸區(qū)。Thorn解釋說，“由于我們的芯片組和他們的計算芯片是按照相同的規(guī)范制造的，并且可以相互交流，這就為我們在市場上提供了更廣泛的應用——有可能將相同SKU（庫存單位）的芯片組應用到許多不同類型的計算和數(shù)據(jù)流量架構(gòu)中。

從芯片的光子學角度來看，激光能力的增強也提高了芯片的能力。“目前的芯片速度是4TB/s，而即將于2025年推出的采用UCIe結(jié)構(gòu)的芯片速度將達到 8TB/s。”Thorn說。Ayar Labs的芯片是由GlobalFoundries在其Fotonix工藝（300mm硅晶圓；見圖2) 上制造的，而 SuperNova 則來自多個供應商。

圖2：基于 GlobalFoundries Fotonix 單片射頻 (RF) 互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 的 TeraPHY 光學 I/O 晶圓。

硅片上的集成光子學

將光子技術(shù)集成到多芯片封裝中時（見圖 3），會遇到一些挑戰(zhàn)。

“我們正在將光子技術(shù)融入到電氣封裝中，”Thorn說，“制造過程中有幾件事是不同的：首先，需要測試封裝中的電路，以確保其‘良好’并達到預期性能，但現(xiàn)在還需要測試封裝中的光子學，這是在封裝測試線上實施的新行為。我們和合作伙伴花費了大量時間和精力，來確保我們在封裝和測試方面具有大批量生產(chǎn)能力。”

光子學封裝中涉及的光纖（不僅僅是光纖的連接，還包括光纖束在系統(tǒng)中的路由）需要以大批量的方式完成。

另一個挑戰(zhàn)是熱管理。Ayar Labs創(chuàng)建SuperNova的原因之一是，“激光在溫度動力學上的表現(xiàn)與硅不同，”Thorn說，“我們的芯片采用CMOS工藝制造，因此它能承受的溫度范圍和表現(xiàn)與 CPU 和 GPU 所用的硅片相同。但是，當激光器開始變熱或在硅所達到的溫度下工作時，它們的表現(xiàn)就開始不同了。它們的壽命會受到影響，波長的產(chǎn)生、跟蹤和移動方式也會受到影響。”

因此，激光光源是單獨遠程搭建的，并且設(shè)計成可以放置在服務器機架的不同部分，甚至遠離服務器機架，為激光器的壽命提供更有利的環(huán)境，而芯片則可以放在硅片旁邊。

圖3：一個包含四個TeraPHY光I/O芯片和客戶專用集成電路的多芯片封裝。

發(fā)展計劃

Ayar Labs 已經(jīng)生產(chǎn)了數(shù)千個芯片的工程樣品，以供市場來檢驗其制造、封裝和測試過程。

“根據(jù)我們的客戶在解決數(shù)據(jù)中心內(nèi)部問題方面的需求，以及他們在生態(tài)系統(tǒng)支持方面取得的進展，預計到2026-2028年期間，

光I/O的商業(yè)產(chǎn)品將會大量涌現(xiàn)。”Thorn說，“大家首先會看到它被那些需要它并能帶來最大利益的領(lǐng)域所采用——人工智能基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域。未來在任何需要更大通道、更低能耗、更快傳輸數(shù)據(jù)的地方，都將會采用光 I/O。”

除了人工智能基礎(chǔ)設(shè)施，Ayar Labs還與Lockheed Martin等公司合作，探索飛機上的雷達系統(tǒng)如何從光學芯片中受益。“雷達系統(tǒng)的計算芯片與銅線相連，所以雷達系統(tǒng)之間的通信都是通過銅線進行。”Thorn解釋說，“如果用光纖取代銅線，用光互連取代電互連，不僅可以獲得更快的數(shù)據(jù)傳輸速率，讓你以不同的方式思考如何使用雷達系統(tǒng)，而且還可以減輕飛機的重量。只要能減輕飛機或輪船的重量，就能將其轉(zhuǎn)移到其他可能需要攜帶的有效載荷上，從而從中獲益。”

Ayar Labs正在研究的另一個很有意思的應用領(lǐng)域是與愛立信合作開發(fā)的基站塔——探索在基站塔頂如何采用光學芯片實現(xiàn)更多的計算結(jié)構(gòu)，而不是將計算送到更中央的計算中心。

預計在 2026-2028 年人工智能基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)中心應用窗口之后，許多其他市場也可能會跟進。

“參與到這項工作中真的很酷，”Thorn 說，“在行業(yè)內(nèi)，很少有機會參與到真正徹底改變數(shù)據(jù)中心和計算引擎工作方式的事情中。這項工作就是其中的一個時刻，能夠參與其中真的令人非常興奮。”