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從58Gbps到2Tbps:FPGA光子芯粒對傳統收發器的降維打擊

摘要:Ayar Labs展示了一款名為 TeraPHY 的光學收發器。這個光學收發器以芯粒(chiplet)的形式集成在英特爾 Stratix10 FPGA 上,可以達到 2Tbps 的數據帶寬,傳輸距離最高可達 2 公里,而傳輸功耗則不超過每比特 1pJ(10 的 -12 次方)。光學收發器 TeraPHY 最重要的技術創新,在于它解決了光信號的“調制”和“解調”兩個主要問題。


  本文轉載自微信公眾號“老石談芯”


  人類文明的進步,與“光”的使用密不可分。19 世紀晚期,英國物理學家丁達爾向人們揭示了光的全反射原理,這也解釋了光為何能在彎曲的水流或玻璃棒里向前傳播。自此,人們就開始了對光傳輸介質的探尋。

  上世紀中葉,高錕發表名為《光頻率介質纖維表面波導》的論文。他創造性的提出,使用基于石英的玻璃纖維作為光傳輸介質,可以進行長距離的信息傳輸。由此,光纖逐漸登上歷史舞臺。和電纜相比,光纖在性能、可靠性、安全性等很多方面都有極大的提升,這也使得光纖成為了現代文明主要的通信介質之一,并引發了一系列通信行業的根本性變革。

  在半導體領域,當前芯片間的主要互聯方式還是基于電氣連接。隨著距離的增加,數據傳輸帶寬會急劇下降,而由此帶來的能耗則會大幅上升。下圖就展示了芯片內部、芯片與電路板、電路板之間等不同維度下,數據傳輸帶來的帶寬損失與能耗增長??梢钥吹?,即使在板級通信時采用光纜傳輸,相比芯片內部的傳輸速度和能效仍然下降了 4 個數量級。

  為了解決這個問題,業界已經開始探尋能否在芯片互聯時使用光傳輸代替電傳輸,從而極大提升數據帶寬、減少傳輸能耗、并延長數據傳輸的距離。在這其中,硅光子芯片技術正在獲得越來越多的關注。

  近日,一家名為 Ayar Labs 的初創公司展示了一款名為 TeraPHY 的光學收發器。這個光學收發器以芯粒(chiplet)的形式集成在英特爾 Stratix10 FPGA 上,可以達到 2Tbps 的數據帶寬,傳輸距離最高可達 2 公里,而傳輸功耗則不超過每比特 1pJ(10 的 -12 次方)。

動圖,左側是兩個光子芯粒,中間是 Stratix10

  相比之下,目前 FPGA 使用的 PAM4 收發器速率最高為 58Gbps,NRZ 收發器最高速率為 30Gbps,而當前電氣收發器的路線圖也只不過安排到了 112Gbps。也就是說,這種光學收發器至少可以取得近 20 倍的性能提升,傳輸距離和功耗更不可同日而語,而這也將 FPGA 收發器的性能帶到了一個全新的高度。

  Ayar Labs 與光子芯片

  Ayar Labs 成立于 2015 年,總部位于美國加州。它是 MIT 的孵化企業,創始團隊大都來自 MIT、UC Berkeley 等美國頂尖高校。Ayar Labs 先后獲得了英特爾資本、格羅方德(GlobalFoundries)以及洛克希德馬丁等公司的數千萬美元戰略投資。

  Ayar Labs 專攻的主要領域就是芯片級的光子傳輸,前文提到的 TeraPHY 就是該公司目前的主打產品。TeraPHY 的研發主要得到了美國國防高級研究計劃局(DARPA)的項目支持。

  在 2019 年的 HotChips 大會上,Ayar Labs 正式推出了 TeraPHY,并在前不久正式對這個光學收發器的性能進行了在線演示。在接下來的文章中,我將詳細介紹 TeraPHY 的技術細節,特別是它的光學數據傳輸方式,以及它是如何與 FPGA 進行異構集成的。

  Ayar Labs 在 2019 年 HotChips 大會的講稿幻燈片,已上傳至知識星球“老石談芯 - 進階版”,請在文末掃碼進入星球查看。

  TeraPHY:光電轉換的奧秘

  光學收發器 TeraPHY 最重要的技術創新,在于它解決了光信號的“調制”和“解調”兩個主要問題。這其中具體的物理學細節在本文不再贅述,下一段中,我嘗試簡單介紹其中的主要原理,不感興趣的同學可以直接略過這部分。

  簡言之,它利用了類似于定向耦合器的原理,當兩個光傳輸介質足夠靠近時,其中一個介質里的能量就能耦合到另一個。此時如果在一個介質上加入電場,就可以改變光在這個介質中的傳播速度,從而控制光波的相位。通過這個過程,電信號的變化就轉變成了光信號的變化。之后當兩個介質里的光再次耦合時,由于光波的干涉原理,就會產生不同振幅。如果把波峰看成 1,波谷看成 0,那光波的不同振幅就可以解碼成由 0 和 1 組成的數字信號,也就完成了光到電的轉換。這個過程就是著名的馬赫 - 曾德爾干涉儀的工作原理。

  Ayar Labs 發明了一種環形諧振器(microring resonator),來實現上述的過程。相比馬赫 - 曾德爾干涉儀,這種環形諧振器的尺寸要小 100 倍,能效高 50 倍,數據傳輸密度也要高 25-50 倍。通過使用這種裝置,可以實現 25Gbps 到 100Gbps 的傳輸帶寬。

  此外,由于不同波長的光在同一介質里傳輸時不會相互影響,可以采用多種不同的波長代表不同的比特位,這樣就實現了一定程度上的并行數據傳輸。

  下圖展示了 TeraPHY 單個通道的收發過程,可以看到,這里采用了四種不同波長的光。在發送端,利用環形諧振器將不同比特位的數據分別調制到這四種光波上,并利用光纖進行傳輸。在接收端,再利用環形諧振器進行解調,將不同波長的光信號轉化成相應的電信號。

  值得注意的是,為了提供穩定的初始光源,Ayar Labs 還開發了一款名為 SuperNova 的激光源,它能夠提供最多 256 種波長的光波,等效 8.192Tbps 的數據帶寬。

SuperNova 激光源

  在 HotChips19 大會上,Ayar Labs 公布了一個 TeraPHY 的測試芯片設計。在發送端,包含 5 個光學宏單元,每個宏單元支持 16 個通道,每通道 25Gbps 帶寬,共計 2Tbps。

發送端光學宏單元的芯片版圖和架構圖

  在接收端則包含 3 個宏單元,共計 1.2Tbps 帶寬。

接收端光學宏單元的芯片版圖和架構圖

  光學芯粒與 FPGA 的異構集成

  TeraPHY 剛面世時,它被同構集成到一個 RISC-V CPU 芯片中,并代替了原有的 CPU IO 收發器。然而,這種同構設計的靈活性十分有限,例如,如果需要把 TeraPHY 用于其他芯片系統,則需要重新設計和生產整個芯片。

  在芯粒(chiplet)設計大行其道的今天,將 TeraPHY 做成芯粒就成為了非常合理的選擇。在之前的文章中,曾詳細介紹過英特爾的 EMIB 技術。EMIB 最大的優點在于它降低了系統的制造復雜度,并降低了不同硅片與芯粒間的傳輸延時。由于無需制造覆蓋整個芯片的硅中介層、以及遍布在硅中介層上的大量硅通孔,EMIB 只需使用較小的硅橋在硅片間進行互聯就可以滿足硅片間的互聯需求。同樣的,由芯片 I/O 至封裝引腳的連接和普通封裝技術相比并未變化,因而無需再通過 TSV 或硅中介層進行走線。對于模擬器件(如收發器)而言,由于不存在通用的中介層,因此對高速信號的干擾明顯降低。

  英特爾的 Stratix10 FPGA 中就使用了 EMIB 技術集成了不同速率的收發器和高帶寬存儲器(HBM)。此外,EMIB 還能用來連接多個 FPGA 硅片,通過這種方法,英特爾制造出了目前世界上最大的 FPGA – Stratix10 GX 10M。

  這樣,Ayar Labs 就將 TeraPHY 做成了芯粒的形式,它使用了格羅方德的 45 納米 RF SOI CMOS 工藝制造,在光學輸出端包含 10 個光學宏單元,最高傳輸速率可達 2.56Tbps。

  在電氣連接端,使用了名為 AIB(Advanced Interface Bus)的物理層協議。AIB 是英特爾推出的一個異構互聯的開放物理層協議,關于它的技術細節在本文不再詳述,它的技術白皮書已上傳至知識星球“老石談芯進階版”,文末掃碼進入星球查看并參與討論。

  最后,TeraPHYFPGA 硅片之間通過 EMIB 進行互聯,并完成芯片封裝,這也就是所謂的多芯片封裝:Multi-Chip Package(MCP)。

  這是又一個使用 EMIB 進行快速異構集成的典型實例。通過使用這種方式,不用重新制造完整的芯片,只需要將現有的 FPGA 芯片與芯粒進行互聯和封裝即可,極大提升了產品的靈活性,也大大降低了制造風險與成本。

  在 Ayar Labs 最新發布的在線演示中,他們使用這個集成了光學收發器的 FPGA 進行了數據傳輸演示,并在 8 個光學鏈路下得到了 2Tbps 的數據吞吐量。Ayar Labs 預計將在未來達到超過 100Tbps 的吞吐量,同時每比特的傳輸功耗不超過 1pJ。

集成光學收發器的 Stratix10 FPGA 測試板卡,圖片來自 Ayar Labs

  結語

  制造玻璃的石英和制造芯片的半導體材料都源于沙子。正是這種取之不盡、用之不竭的材料,成為了推動人類文明進步的重要基石。而“點石成金”的背后,則是無數研究者的不斷鉆研與創新。如今,光和電在 FPGA 里進行融合,并進一步擴展了數據傳輸的前景。老石相信,這樣的技術創新還會不斷涌現,并繼續推動技術和文明向前進步。


  老石,微信公眾號“老石談芯”主理人,博士畢業于倫敦帝國理工大學電子工程系,現任某知名半導體公司高級FPGA研發工程師,深耕于FPGA的數據中心網絡加速、網絡功能虛擬化、高速有線網絡通信等領域的研發和創新工作。曾經針對FPGA、近似計算、高性能與可重構計算等技術在學術界頂級會議和期刊上發表過多篇研究論文。


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