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2019 年，CEA-Leti 成為首個成功利用 3D 架構將芯片集成到有源中介層上的組織。Leti 及其合作機構 CEA-List 的研究人員目前正在在此基礎上開發有源光學中介層，以最小的延遲連接大量芯片。隨著行業在越來越大的晶圓上生產越來越多的芯片，這項工作的目標是復雜的系統級封裝。

今年夏天，在法國格勒諾布爾舉行的 Leti 創新日 2024 活動上，CEA 研究人員分享了最近開發的 Starac，這是一款基于芯片的光學片上網絡 演示器，它建立在有源光學中介層上，借鑒了 Leti 在電子中介層方面的早期成就。CEA-List 高級研究員 Yvain Thonnart 表示:“我們保留了在芯片之間路由信息的能力，而無需在大量中間芯片之間跳躍。通過使用光子學，我們計劃將延遲大大降低，這比我們之前的工作和當今行業所做的要好。”

雖然無源中介層提供結構支撐和相鄰芯片之間的連接，但有源中介層集成了更復雜的電路，可以添加邏輯，在遠距離芯片之間路由數據，而無需沿途進行跳躍。無源中介層需要通過跳躍傳輸數據，這會增加延遲和功耗。隨著光學互連的日益普及，未來的游戲規則改變者將是使用光子學而非電子學的有源中介層，以進一步降低功耗和延遲。

描述 CEA-Leti 的 ONoC 拓撲的簡單方法是將其稱為環，但仔細觀察系統中的每個波導就會發現它們以復雜的螺旋狀循環。因此，每個芯片都可以與任何其他芯片進行通信，而無需跳過一系列中間芯片。“這有點像大型網絡中的點對點，因為我們的架構中沒有用于通信的集中控制器，”Thonnart 說。

“在大型計算系統中，有多個帶有核心的計算芯片和多個 HBM ，”他說。“英特爾、AMD 和 Nvidia 的最新處理器都是如此。從核心轉到附近的 HBM 很容易。但如果您需要從核心轉到更遠的 HBM，那么您需要執行一系列操作才能獲取數據。使用我們的解決方案，延遲將大大改善，因為與更傳統的架構中需要經過所有跳躍的旅程相比，在我們的片上光學網絡中引導的光的固有延遲非常小。”

CEA-Leti 的光學中介層技術名為 Starac，該研究機構在今年夏天舉行的 Leti 創新日 2024 上展示了該技術。Starac使用硅光子學代替銅來傳輸數據，從而自動提高性能并降低延遲和功耗。它還支持無法使用傳統方法構建的路由。與用于連接芯片的傳統無源中介層不同，有源光學中介層集成了邏輯電路，可實現直接通信，而傳統無源中介層需要多個步驟(或跳躍)才能使數據在遠距離芯片之間傳輸。

CEA-Leti 推出的Starac演示器展示了這項技術，其片上網絡 設計由四個芯片組(每個芯片組有 16 個內核)、六個電光驅動器、?10 x 100 μm 中間工藝 TSV 和四個前端布線層組成。其螺旋波導結構(無法在無源中介層上構建)使芯片組能夠直接相互通信，無需中間跳躍。這消除了傳統多芯片組設計中常見的延遲，隨著芯片組數量的不斷增加，延遲變得越來越重要。

對于當前和未來的多芯片系統級封裝而言，減少延遲、增加帶寬并控制功耗至關重要。Starac 系統中的光學中介層允許多個處理器和高帶寬內存單元快速高效地交換數據，即使在系統內的長距離內也是如此。CEA-Leti 的工作標志著向使用光子學為 SiP 提供更快、更具可擴展性的通信解決方案邁出了重要一步。

滿足永不滿足的新應用需求

新架構解決的主要問題是，新應用需要數量大幅增加、功能越來越強大的處理器。隨著處理器數量的增加，需要更多的并行性，這意味著需要的數據不只存在于一個點。系統內的多個不同組件需要使用和重用相同的數據。不僅單個封裝中的處理器之間需要快速數據傳輸，而且從系統外部到系統內部以及反之亦然。CEA-Leti 表示，其設計的技術不僅可以在單個封裝上運行，還可以擴展以支持兩個或多個封裝之間的傳輸。

Thonnart 表示:“我們希望通過這套光學套件實現的目標，是讓人們組裝大量芯片，而不必擔心物理集成。我們在芯片間通信標準化工作方面仍略勝一籌，因為標準仍然側重于兩個芯片之間的點對點連接。最終，我們希望幫助補充標準，使芯片能夠與專用的電光芯片對接，從而處理我們片上光學網絡的所有方面。”

邁向工業化

與此同時，CEA-Leti 研發項目負責人 Jean Charbonnier 表示，Leti 希望通過 Starac 演示器展示該技術，從而吸引工業合作伙伴。Charbonnier 表示:“我們希望讓使用新架構的系統設計師和代工廠都參與進來，讓他們與我們合作，為工業生產做好準備。”

工業化道路上的一項挑戰是開發高效的制造工藝，以集成所有中介層組件。“我們已經為我們的 Starac 演示器開發了許多新的工藝步驟，”Charbonnier 說道。“3D 互連處理方面的工程工作量巨大，因為它完全是新事物，需要多種不同的專業知識。”

必須聘請 CEA-Leti 光電子和硅元件部門的專家來幫助解決光子節點和芯片 3D 集成中固有的一些兼容性問題。例如，團隊必須確定禁入區，以便他們能夠在不改變信號的情況下使用硅通孔和波導。在開發完整的演示器之前，必須單獨進行研究以驗證不同的子流程。

現在演示項目已經完成，“我們有很多事情可以改進，甚至完全重做，”Charbonnier 說。“例如，我們可以將激光器直接放在設備上，以避免光纖與激光器發生共振。而在封裝方面，仍有很大改進空間。

“我們希望在未來一年左右建立行業合作伙伴關系，以幫助我們解決一些流程和封裝問題，并讓我們更接近這項技術可能解決的實際問題，”Charbonnier 補充道。

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