文章核心观点 - 人工智能工作负载催生了数据中心内部巨大的“东西向流量”需求，而数据传输是当前高性能计算芯片功耗的主要瓶颈之一，领先的ASIC芯片可能将高达一半的总功耗用于数据传输[1] - 为应对这一挑战并充分发挥光纤的节能优势，行业正致力于通过异构集成和先进封装技术，将光器件与电子控制电路更紧密地结合，以缩小尺寸、提高带宽密度和能效，最终实现全集成光子互连[1][2][8] 光子互连的技术背景与挑战 - 光纤因其速度和效率优势成为电信网络首选，但在短距离传输（如数据中心内部）中，光器件的较大尺寸限制了带宽密度，需要缩小光器件及其电子电路的尺寸以发挥节能潜力[1] - 人工智能工作负载与传统负载的关键区别在于其产生巨大的数据中心内部“东西向流量”，GPU集群对大数据数组进行简单运算，但所需带宽限制了性能并成为主要功耗来源[1] - 决定互连效率的四个关键指标为：有效距离、带宽密度（比特数/面积）、能量效率（比特数/单位能量）和计算效率[3] 光子互连的三种解决方案 - **可插拔组件**：尺寸较大，模块化设计，易于集成和更换故障元件（如激光器），但需要较长连接线，最适合电路板之间、机架之间或数据中心内部的连接[2] - **共封装光学器件**：将分立的光学元件与电子控制电路集成在一起，通常通过引线键合连接[2] - **光输入/输出模块**：将光学和电子集成电路集成到一个单元中，使其能够像单个器件一样高效运行[2] 光子互连的核心组成单元与技术难点 - **光源**：通常使用磷化铟二极管激光器，其承受较高电流和温度，可能是光子电路中最不可靠的元件，集成模块需在封装前筛选性能良好的激光器[2] - **调制器**：将连续激光信号分解为数据比特流并决定数据传输速率。铌酸锂材料可实现超过100 GHz带宽，但体积大且有锂污染风险，不适合与硅直接集成[5]。微转移印刷技术可将铌酸锂调制器转移到硅衬底以避免污染[5]。硅谐振器是CPO和OIO的常用选择，但硅本身并非高效调制器，行业在寻找替代方案，例如NLM Photonics将发色团嵌入有机玻璃的解决方案[5] - **波导与光电探测器**：硅是优异的低损耗波导材料，锗是理想的光电探测器材料[6] - **耦合器**：负责在折射率不同的材料间传输光，耦合损耗可能占系统损耗的很大部分，设计需避免引入光学缺陷并提供折射率的渐变过渡[6] - **控制电子设备**：光路需要控制电子设备来操作调制器、处理信号等，缩短其与光学元件的距离可提高性能并降低功耗[6] 异构集成与先进封装的挑战 - 集成光学器件与电子元件结合时面临新问题，例如机械应力会导致光学畸变和光损耗，因此设计工具必须能够模拟热应力和机械应力带来的光学和电学效应[7] - 对于调制器，通过对加热器进行热隔离可以节省大量能源[7] - 光电探测器所需的厚锗层与先进晶体管中的薄硅锗纳米片不同，外延锗沉积可能占到整个电路成本的40%[7] - 在商业规模集成中，NTT展示了将磷化铟晶圆键合到硅晶圆上，然后原位生长InGaAsP激光器的方法[8] - 电路的电子部分可在传统CMOS晶圆厂制造，并通过铜混合键合技术连接到中介层，但仍需考虑对光学元件的应力影响[8] 行业共识与发展方向 - 尽管开发全集成光子互连技术仍需大量工作，但行业对最终目标有高度共识：计算设备供应商、网络领导者和硅芯片供应商一致认为，扩展“东西向流量”需要光互连[8]

文章核心观点 - 人工智能等高性能计算工作负载导致数据中心内部“东西向流量”激增，对数据传输带宽和能效提出极高要求，传统电互连成为性能与功耗瓶颈，光互连（特别是硅光子集成技术）是提升数据中心能效和带宽密度的关键发展方向 [2] - 为充分发挥光子互连在短距离传输中的节能优势，需要缩小光器件及其电子控制电路的尺寸，业界正探索可插拔、共封装光学（CPO）和光输入/输出（OIO）模块三种集成方案，并致力于解决光源、调制器、波导、探测器及耦合等光子基本单元的集成挑战 [2][3][5] - 实现电光异构集成面临材料、工艺、热机械应力及成本等多重挑战，但产业界对通过光互连扩展数据中心东西向流量存在高度共识，相关技术研发是行业明确的发展目标 [9][10] 光纤与光互连的优势及挑战 - 光纤在信号传输速度和效率上优于铜线，是全球电信网络首选材料 [2] - 在数据中心内部等短距离传输场景，光器件的较大尺寸限制了带宽密度，需缩小尺寸以发挥其节能优势 [2] - 人工智能工作负载需在数据中心内部进行大量数据传输（“东西向流量”），GPU集群的带宽需求限制了整体性能并成为主要功耗来源 [2] - 据估计，领先的高性能ASIC芯片将高达一半的总功耗用于数据传输 [2] - 互连效率由四个关键指标决定：有效距离、带宽密度（每面积比特数）、能量效率（每单位能量的比特数）、计算效率 [4] 光子互连的集成方案 - 可插拔组件：尺寸较大，模块化设计易于集成，但需要较长连接线连接控制电子元件，适用于电路板、机架或数据中心之间的连接 [3] - 共封装光学器件（CPO）：将分立光学元件与电子控制电路集成，通常通过引线键合连接 [5] - 光输入/输出（OIO）模块：将光学和电子集成电路集成到一个单元中，使其能像单个器件一样高效运行 [5] - 可插拔元件具有易于更换故障激光器的优势 [5] 光子电路的基本组成单元与技术挑战 - **光源**：数据中心级别距离通常使用磷化铟二极管激光器，其承受较高电流和温度，可能是光子电路中最不可靠的元件 [5] - **调制器**：将激光连续信号分解为数据比特流，决定数据传输速率 [7] - 铌酸锂等材料可实现超过100 GHz带宽，具有高效率和低损耗，但体积大且存在锂污染风险，不适合与硅直接集成 [7] - 研究人员利用微转移印刷技术将图案化铌酸锂调制器转移到硅衬底上，以避免污染风险 [7] - CPO和OIO应用通常选择硅谐振器，利用加热器调节掺杂硅环折射率，但硅并非高效调制器材料 [7] - NLM Photonics的替代方案是将发色团嵌入小分子有机玻璃中，通过排列其偶极子并通过相邻硅组件进行切换 [7] - **波导**：在目标波长范围内，硅是优异的低损耗波导材料，集成模块采用硅或有机中介层 [8] - **光电探测器**：锗是理想的光电探测器材料 [8] - **耦合器**：负责在不同折射率材料间传输光，耦合损耗可能占整个系统损耗的很大一部分，设计需避免引入光学缺陷并提供折射率的渐变过渡 [8] - **控制电子设备**：光路需要控制电子设备来操作调制器、处理探测器信号等，缩短其与光学元件的距离可提高性能并降低功耗 [8] 电光异构集成的挑战与进展 - 异构集成的总体目标是缩短互连距离，挑战在于如何以经济高效的方式连接各成熟技术组件 [9] - 将电子和光学元件结合带来新问题，例如机械应力导致光学畸变和光损耗，设计工具必须能模拟热应力和机械应力的光学和电学效应 [9] - 对调制器的加热器进行热隔离可以节省大量能源 [9] - 光电探测器所需的厚锗层外延沉积可能占到整个电路成本的40% [9] - 在研究应用中，磷化铟激光器可通过微转移印刷技术单独转移到中介层上，以确保只转移性能良好的激光器 [10] - 在商业规模集成中，NTT展示了将InP晶圆键合到硅晶圆上，然后原位生长InGaAsP激光器的方法 [10] - 电路的电子部分可在传统CMOS晶圆厂制造，并通过铜混合键合技术连接到中介层，同样需考虑光学元件所受的热机械应力 [10] - 计算设备供应商、网络领导者和硅芯片供应商之间对扩展东西向流量需要光互连存在高度共识 [10]