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科学|再见，电芯片！Hello，光子芯片！( 二 )


Ayar Labs发明了一种环形谐振器（microring resonator） ， 来实现上述的过程 。 相比马赫-曾德尔干涉仪 ， 这种环形谐振器的尺寸要小100倍 ， 能效高50倍 ， 数据传输密度也要高25-50倍 。 通过使用这种装置 ， 可以实现25Gbps到100Gbps的传输带宽 。

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此外 ， 由于不同波长的光在同一介质里传输时不会相互影响 ， 可以采用多种不同的波长代表不同的比特位 ， 这样就实现了一定程度上的并行数据传输 。
下图展示了TeraPHY单个通道的收发过程 ， 可以看到 ， 这里采用了四种不同波长的光 。 在发送端 ， 利用环形谐振器将不同比特位的数据分别调制到这四种光波上 ， 并利用光纤进行传输 。 在接收端 ， 再利用环形谐振器进行解调 ， 将不同波长的光信号转化成相应的电信号 。

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值得注意的是 ， 为了提供稳定的初始光源 ， Ayar Labs还开发了一款名为SuperNova的激光源 ， 它能够提供最多256种波长的光波 ， 等效8.192Tbps的数据带宽 。

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SuperNova激光源
在HotChips19大会上 ， Ayar Labs公布了一个TeraPHY的测试芯片设计 。 在发送端 ， 包含5个光学宏单元 ， 每个宏单元支持16个通道 ， 每通道25Gbps带宽 ， 共计2Tbps 。

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发送端光学宏单元的芯片版图和架构图
在接收端则包含3个宏单元 ， 共计1.2Tbps带宽 。

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接收端光学宏单元的芯片版图和架构图
光学芯粒与FPGA的异构集成
TeraPHY刚面世时 ， 它被同构集成到一个RISC-V CPU芯片中 ， 并代替了原有的CPU IO收发器 。 然而 ， 这种同构设计的灵活性十分有限 ， 例如 ， 如果需要把TeraPHY用于其他芯片系统 ， 则需要重新设计和生产整个芯片 。
在芯粒（chiplet）设计大行其道的今天 ， 将TeraPHY做成芯粒就成为了非常合理的选择 。在之前的文章中， 曾详细介绍过英特尔的EMIB技术 。 EMIB最大的优点在于它降低了系统的制造复杂度 ， 并降低了不同硅片与芯粒间的传输延时 。 由于无需制造覆盖整个芯片的硅中介层、以及遍布在硅中介层上的大量硅通孔 ， EMIB只需使用较小的硅桥在硅片间进行互联就可以满足硅片间的互联需求 。 同样的 ， 由芯片I/O至封装引脚的连接和普通封装技术相比并未变化 ， 因而无需再通过TSV或硅中介层进行走线 。 对于模拟器件（如收发器）而言 ， 由于不存在通用的中介层 ， 因此对高速信号的干扰明显降低 。
英特尔的Stratix10 FPGA中就使用了EMIB技术集成了不同速率的收发器和高带宽存储器（HBM） 。 此外 ， EMIB还能用来连接多个FPGA硅片 ， 通过这种方法 ， 英特尔制造出了 目前世界上最大的FPGA – Stratix10 GX 10M。
这样 ， Ayar Labs就将TeraPHY做成了芯粒的形式 ，它使用了格罗方德的45纳米RF SOI CMOS工艺制造 ， 在光学输出端包含10个光学宏单元 ， 最高传输速率可达2.56Tbps 。

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在电气连接端 ， 使用了名为AIB（Advanced Interface Bus）的物理层协议 。 AIB是英特尔推出的一个异构互联的开放物理层协议 ， 关于它的技术细节在本文不再详述 。


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