【光電集成】用于高性能計(jì)算的硅基光電子應(yīng)用中的集成光互連系統(tǒng)(iOIS)

今日光電

三、復(fù)合中介層（interposer）

A.?通用的CPO結(jié)構(gòu)

通用的CPO結(jié)構(gòu)分為三種類(lèi)型：MCM、有機(jī)中介層和無(wú)機(jī)中介層，它們?cè)?/span>ASIC與OE的電氣互連方面各不相同（圖3）。在MCM型的CPO中，ASIC和OE集成在封裝基板上，并用銅線相互連接。隨著系統(tǒng)帶寬的要求越來(lái)越高，這種結(jié)構(gòu)遭遇了ASIC和OE之間的帶寬密度低的問(wèn)題。

有機(jī)中介層（如InFO_OS）具有ASIC和OE之間更細(xì)間距RDL（2/2 微米）的特點(diǎn)，可提供比MCM更高的帶寬密度，因此可視為無(wú)機(jī)中介層之前的臨時(shí)解決方案。[5]。

無(wú)機(jī)中介層，如CoWoS_S，具有BEOL銅互連（0.4/0.4 μm）和微凸塊，通常能為通信或計(jì)算系統(tǒng)提供更高的帶寬密度[6]。

圖3. 三種通用的CPO結(jié)構(gòu)：(A)MCM，(B)有機(jī)中介層（如InFO_OS），和(C)無(wú)機(jī)中介層（如CoWoS_S）。

B. 帶橋的CPO結(jié)構(gòu)

為了降低成本，要避免全部使用無(wú)機(jī)中介層。我們?cè)贛CM與有機(jī)中介層的結(jié)構(gòu)中，使用硅橋或LSI（CoWoS_L中的局部硅互連），來(lái)提供局部高密度電氣互連網(wǎng)絡(luò)（圖4）。使用電橋可以為有機(jī)中介層提供可行的高密度互連解決方案，以擴(kuò)大封裝尺寸的范圍，突破無(wú)機(jī)中介層的限制。

圖4. 兩種帶有嵌入式橋梁的通用CPO結(jié)構(gòu)。(A)將電橋嵌入封裝基板，而 (B) 則嵌入有機(jī)中介層（如 CoWoS_L）中。

CoWoS_S和CoWoS_L都不適合需要高密度波導(dǎo)作為光通道來(lái)連接封裝內(nèi)不同OE的應(yīng)用（圖2. (D)和(E)）。在iOIS我們提供的CI結(jié)合了BEOL銅互連（ASIC 和OE之間）和多層介質(zhì)波導(dǎo)系統(tǒng)（作為OE之間的光互連網(wǎng)絡(luò)）。

C. 帶計(jì)算-HBM模塊的CPO結(jié)構(gòu)

CPO結(jié)構(gòu)的一種特殊形式出現(xiàn)在需要HBM和ASIC緊密相連的應(yīng)用。在這些應(yīng)用中，計(jì)算單元（如GPU）和HBM被緊密地放置在同一個(gè)無(wú)機(jī)中介層上，以獲得最大的封裝內(nèi)電帶寬。圖5 (A)到(C)顯示了計(jì)算-HBM模塊在MCM、有機(jī)和無(wú)機(jī)中介層上面的實(shí)現(xiàn)。而(D)是將HBM、計(jì)算單元和OE放置在無(wú)機(jī)中介層的同一表面上的“扁平”的結(jié)構(gòu)。

圖5. 帶有計(jì)算-HBM模塊的四種CPO結(jié)構(gòu)：（A）MCM、(B)有機(jī)中介層，和(C)無(wú)機(jī)中介層。(D)是(C)的"扁平"形式。

將計(jì)算-HBM 模塊和嵌入式橋接器結(jié)合到MCM或有機(jī)中介層中，可實(shí)現(xiàn)圖6（A）和圖6（B）中的結(jié)構(gòu)。(C)和(D)中有"扁平"版本存在。

圖6. 四種CPO結(jié)構(gòu)（帶橋的計(jì)算-HBM模塊）：(A)在MCM中，(B)在有機(jī)中介層中。(C)和(D)分別是(A)和(B)的"扁平"形式。

D. CPO搭配PIC或單片OE作為有源光學(xué)中介層的結(jié)構(gòu)

PIC本身可作為無(wú)機(jī)有源光中介層。圖7 (A)和(B)是一般ASIC和計(jì)算-HBM的有源光中介層結(jié)構(gòu)。在這類(lèi)CPO結(jié)構(gòu)中，OE可以用EIC替代以進(jìn)一步簡(jiǎn)化。圖7(C)和(D)分別是圖7(A)和(B)的簡(jiǎn)化版，而(E)是圖(D)的"扁平"版本。

圖7. 以PIC作為無(wú)機(jī)有源光中介層的五種CPO結(jié)構(gòu)：(A)是主機(jī)ASIC的通用形式，而(B)則是用專(zhuān)門(mén)的計(jì)算-HBM模塊來(lái)取代ASIC。(C)和(D)分別是(A)和(B)的簡(jiǎn)化版。(E)是(D)的"扁平"版本。

ASIC或計(jì)算-HBM模塊也可以用單片OE作為無(wú)機(jī)有源光中介層來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這種特殊情況下，具有EIC和PIC的單片OE共用同一層SOI，因此不需要單獨(dú)的EIC（圖8 (A)和(B)）。請(qǐng)注意圖7 (C)到(E)和圖8 (A)到(B)中，光纖耦合器必須放置在有源中介層的表面上，或在有源光中介層頂部安裝一個(gè)特殊的光纖采用器。這通常會(huì)增加封裝工藝的復(fù)雜性。

在上述兩種情況下，無(wú)論是獨(dú)立的PIC或單片OE作為有源光中介層，用以承載?ASIC、存儲(chǔ)器和OE。兩者都能提供硅波導(dǎo)層，實(shí)現(xiàn)芯片到芯片的封裝內(nèi)光互連，

不過(guò)由于使用全SOI基底面，成本較高。此外，當(dāng)ASIC直接連接到有源光互聯(lián)器的頂部時(shí)，如圖7(A)、(C)、(E)和圖8 (A)到(B)，需要一種有效的熱解決方案來(lái)減輕對(duì)PIC器件的熱污染。

圖8. 以單片OE作為無(wú)機(jī)有源光中介層的兩種CPO結(jié)構(gòu)：(A)是主機(jī)ASIC的通用形式，而(B)則采用專(zhuān)門(mén)的計(jì)算-HBM模塊來(lái)取代ASIC。

E. 復(fù)合中介層結(jié)構(gòu)

iOIS作為一個(gè)CPO平臺(tái)，由COUPE2.0和CI(圖 9）構(gòu)成。CI具有高度集成的雙光電互聯(lián)(DEOI)網(wǎng)絡(luò)，提供(1)ASIC和OE之間的電氣互連，和(2) OE之間的封裝內(nèi)光互連網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)CI電用于ASIC與OE之間的互連時(shí)，可提供高帶寬電氣互連標(biāo)準(zhǔn)的BEOL RDL。為了滿(mǎn)足ASIC與OE之間不斷增長(zhǎng)的帶寬需求，與MCM解決方案相比，CI的電氣接口可提供37.2倍的帶寬提升，和0.19倍的能耗改善。表II是各種CPO方案電氣互連的性能比較圖。

當(dāng)CI用于封裝內(nèi)芯片到芯片的光互連網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它可以在OE之間提供低損耗、多層波導(dǎo)系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)的要求，這個(gè)光路由層還可用于光功率和/或光時(shí)鐘分配。由于采用了縫合技術(shù)，波導(dǎo)的長(zhǎng)度不受網(wǎng)罩尺寸的限制。波導(dǎo)傳播損耗可達(dá)到0.21 dB/cm，90度彎曲損耗為每圈0.009 dB。?相鄰波導(dǎo)之間的過(guò)渡損耗為0.015 dB。估計(jì)的灘前帶寬密度（假設(shè)單波長(zhǎng)和每信道100 Gbps）則約為44.9 Tbps/mm。COUPE2.0與CI之間的光接口經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，過(guò)渡損耗僅為0.015分貝。

COUPE2.0和CI之間的超低耦合損耗為異構(gòu)集成提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。包括先進(jìn)光學(xué)器件（如III-V激光器、半導(dǎo)體光放大器(SOA)、III-V族雪崩光電二極管(APD)、及其他非硅基光學(xué)器件。新增的模塊化電子光學(xué)功能極大地?cái)U(kuò)展了iOIS平臺(tái)的應(yīng)用空間。

圖9. 基于CI的CPO：（A）基本配置，（B）用于芯片到芯片的光互連，以及(C) iOIS平臺(tái)的模塊化電氣-光學(xué)功能。請(qǐng)注意，所有光學(xué)元件(OE、激光器、SOA、APD、LNOI等）都與CI光耦合，耦合損耗估計(jì)約為0.015 dB。

IV. 結(jié)論

首次提出將iOIS作為計(jì)算和通信系統(tǒng)的CPO平臺(tái)。其兩個(gè)組成部分COUPE2.0和CI可提供無(wú)與倫比的性能、功耗和設(shè)計(jì)靈活性。在COUPE2.0中，垂直寬帶耦合器與嵌入式微透鏡集成在一起。其損耗為0.3 dB，對(duì)準(zhǔn)誤差為10 μm。這種耦合器不僅具有垂直耦合器的高耦合容差和設(shè)計(jì)靈活性、還有水平耦合器的寬帶處理能力。PBSR可與該耦合器集成，通過(guò)禁用光束偏轉(zhuǎn)功能，該耦合器還可用作超低損耗邊緣耦合器，以滿(mǎn)足特定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的。

在CI系統(tǒng)中，高度集成的DOOI層可提供電氣互聯(lián)，其電氣帶寬密度為37.2倍，ASIC和OE之間的能耗為0.19倍。集成的多層單模光路由層可產(chǎn)生0.21 dB/cm的傳播損耗。90度彎曲的傳播損耗為0.009 dB。相鄰波導(dǎo)之間的過(guò)渡損耗為0.015 dB。光互聯(lián)的聚合單信道灘前帶寬密度可達(dá)44.9 Tbps/mm。CI接口的獨(dú)特設(shè)計(jì)，使CI與COUPE2.0之間的耦合損耗僅為0.015 dB，這為未來(lái)的異構(gòu)集成各種高性能非硅光學(xué)元件鋪平了道路。COUPE2.0中的寬帶垂直耦合器與CI中的波導(dǎo)系統(tǒng)無(wú)縫集成，從而共同為CPO光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供無(wú)與倫比的性能和靈活性。

總之，作為基于3DFabric的CPO平臺(tái)，iOIS可以滿(mǎn)足多樣化的技術(shù)需求，并產(chǎn)生更具成本效益的可制造的解決方案，并與代工廠的2.5D/3D路線圖一致。

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