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(jì)算芯片之間進(jìn)行高帶寬數(shù)據(jù)傳輸。

如今，GPU和CPU之間的通信是通過(guò)銅線進(jìn)行電路傳輸?shù)�。然而電子架�?gòu)的路線即將走向終點(diǎn)，而光信號(hào)則提供了一條更復(fù)雜的前進(jìn)道路。未來(lái)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(jì)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(duì)話’。然后，光離開(kāi)封裝并傳播到另一個(gè)芯片上的另一個(gè) TeraPHY，”Ayar Labs商業(yè)運(yùn)營(yíng)副總裁Terry Thorn 說(shuō)，“它允許 TeraPHY 用它能理解的語(yǔ)言（即電子）與片上系統(tǒng)（SoC）對(duì)話，同時(shí)用光子實(shí)現(xiàn)封裝之間的通信。”與目前最先進(jìn)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(yuǎn)程多波長(zhǎng)光源為芯片提供光源，”Thorn補(bǔ)充道，“對(duì)于芯片組（chiplet）中的每個(gè)傳輸組件，都必須有一個(gè)光源來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，因此每個(gè)chiplet都有一個(gè)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(gè)端口，與芯片上的8個(gè)端口 1:1 配對(duì)，”Thorn解釋說(shuō)，“每個(gè)端口或者SuperNova中的光纖分別攜帶8個(gè)波長(zhǎng)。每個(gè)波長(zhǎng)都是一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸切片（transport slice）。8個(gè)端口乘以8個(gè)波長(zhǎng)意味著64條數(shù)據(jù)路徑。”

目前正在設(shè)計(jì)的下一代SuperNova，預(yù)計(jì)將于2025年推出樣品，Ayar Labs 將保留其 8 端口配置，但將波長(zhǎng)數(shù)增加一倍，達(dá)到 16 波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)路徑的加倍。Thorn說(shuō)，“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(gè)重要的變化是轉(zhuǎn)向電子接口——通用芯片快速互連（UCIe）標(biāo)準(zhǔn)封裝。

“從采用的角度來(lái)看，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)我們來(lái)說(shuō)很重要。”Thorn說(shuō)，“UCIe規(guī)范將極大助力第二代芯片的市場(chǎng)應(yīng)用。”

UCIe 規(guī)范由計(jì)算芯片制造商使用，因此可以說(shuō)，它為 Ayar Labs 提供了一個(gè)電氣著陸區(qū)。Thorn解釋說(shuō)，“由于我們的芯片組和他們的計(jì)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?cè)谑袌?chǎng)上提供了更廣泛的應(yīng)用——有可能將相同SKU（庫(kù)存單位）的芯片組應(yīng)用到許多不同類型的計(jì)算和數(shù)據(jù)流量架構(gòu)中。

從芯片的光子學(xué)角度來(lái)看，激光能力的增強(qiáng)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(dá)到 8TB/s。”Thorn說(shuō)。Ayar Labs的芯片是由GlobalFoundries在其Fotonix工藝（300mm硅晶圓；見(jiàn)圖2) 上制造的，而 SuperNova 則來(lái)自多個(gè)供應(yīng)商。

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

硅片上的集成光子學(xué)

將光子技術(shù)集成到多芯片封裝中時(shí)（見(jiàn)圖 3），會(huì)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(shuō)，“制造過(guò)程中有幾件事是不同的：首先，需要測(cè)試封裝中的電路，以確保其‘良好’并達(dá)到預(yù)期性能，但現(xiàn)在還需要測(cè)試封裝中的光子學(xué)，這是在封裝測(cè)試線上實(shí)施的新行為。我們和合作伙伴花費(fèi)了大量時(shí)間和精力，來(lái)確保我們?cè)诜庋b和測(cè)試方面具有大批量生產(chǎn)能力。”

光子學(xué)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(gè)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(dòng)力學(xué)上的表現(xiàn)與硅不同，”Thorn說(shuō)，“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(dāng)激光器開(kāi)始變熱或在硅所達(dá)到的溫度下工作時(shí)，它們的表現(xiàn)就開(kāi)始不同了。它們的壽命會(huì)受到影響，波長(zhǎng)的產(chǎn)生、跟蹤和移動(dòng)方式也會(huì)受到影響。”

因此，激光光源是單獨(dú)遠(yuǎn)程搭建的，并且設(shè)計(jì)成可以放置在服務(wù)器機(jī)架的不同部分，甚至遠(yuǎn)離服務(wù)器機(jī)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(gè)包含四個(gè)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(jì)劃

Ayar Labs 已經(jīng)生產(chǎn)了數(shù)千個(gè)芯片的工程樣品，以供市場(chǎng)來(lái)檢驗(yàn)其制造、封裝和測(cè)試過(guò)程。

“根據(jù)我們的客戶在解決數(shù)據(jù)中心內(nèi)部問(wèn)題方面的需求，以及他們?cè)谏鷳B(tài)系統(tǒng)支持方面取得的進(jìn)展，預(yù)計(jì)到2026-2028年期間，

光I/O的商業(yè)產(chǎn)品將會(huì)大量涌現(xiàn)。”Thorn說(shuō)，“大家首先會(huì)看到它被那些需要它并能帶來(lái)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(lái)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(huì)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(jī)上的雷達(dá)系統(tǒng)如何從光學(xué)芯片中受益。“雷達(dá)系統(tǒng)的計(jì)算芯片與銅線相連，所以雷達(dá)系統(tǒng)之間的通信都是通過(guò)銅線進(jìn)行。”Thorn解釋說(shuō)，“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(dá)系統(tǒng)，而且還可以減輕飛機(jī)的重量。只要能減輕飛機(jī)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(gè)很有意思的應(yīng)用領(lǐng)域是與愛(ài)立信合作開(kāi)發(fā)的基站塔——探索在基站塔頂如何采用光學(xué)芯片實(shí)現(xiàn)更多的計(jì)算結(jié)構(gòu)，而不是將計(jì)算送到更中央的計(jì)算中心。

預(yù)計(jì)在 2026-2028 年人工智能基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用窗口之后，許多其他市場(chǎng)也可能會(huì)跟進(jìn)。

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