DARPA新项目研发数字微电子器件光学信号传输技术

远望智库技术预警中心  王璐菲

据DARPA网站2018年11月1日消息，DARPA启动新项目，寻求在芯片层面集成光信号传输技术，提升现代多芯片模块（MCM）的性能。

十多年来，并行化已逐渐成为微电子业界提升系统性能的可行方法之一。从多核处理单元到高性能计算系统，从消费电子设备到国防部系统，分布式和并行架构普遍存在于各种系统规模及应用领域。然而，数据在节点间的移动——而不是单个节点的运算极限——日益限制了并行化带来的性能提升。片上核心之间以及多芯片模块之间的短距离连通性可通过电链路实现，但这种互联性在电路板及其以上规模的长度范围上会快速下降。串行/解串器功能——用于在集成电路封装之间移动数据——消耗的能量在整体能耗中占比巨大且仍在继续增长，这限制了片外输入/输出（I/O）容量，降低了系统性能，并约束了系统的可扩展性。与此对比，光子收发器模块可以通过光纤实现高带宽、低损耗的远距离光学信号传输。然而，迄今为止的光输入/输出都是以电路板上可插拔模块的形式，与带有电链路的多芯片模块封装连接，而电链路的功耗和密度限制了相关整体性能。为充分发挥光信号的潜在优势，必须将光子解决方案集成到微电子封装中。

DARPA近期发布跨部门公告，启动一个名为“极端可扩展性封装中光子学”（PIPES）的新项目，旨在开发数字微电子设备光学信号传输技术，利用光子与先进集成电路的紧密集成，实现高聚合带宽、功率效率、信道密度和链路范围的系统连通性，促成颠覆性的系统可扩展性。

通过PIPES项目开发的高效、高带宽封装级光子信号传输技术预计将影响大量新兴应用，主要可划分为两大领域：一是大数据领域，包括机器学习、大规模仿真、高性能计算。大规模并行和分解方面的近期趋势导致改进互联表现的需求增加。光信号传输在此类系统的某些层面已经很常见，但尚未直接集成进组件交换芯片、中央处理器（CPU）和图形处理器（GPU）；二是先进传感器和无线接口领域。美国防部广泛使用专用集成电路（ASIC）和现场可编程门阵列（FPGA），突破这些领域的插座电源和输入/输出（I/O）容量界限。虽然大数据应用程序拥有众多商业容量驱动器，但国防部相关很多ASIC的市场牵引不足以证明光学技术早期使用的合理性。

PIPES项目涉及3个技术领域：①开发高性能光输入/输出（I/O）技术，以与最先进的集成电路（IC）封装在一起，包括现场可编程门阵列（FPGA）、中央处理器（CPU）、图形处理器（GPU）和专用集成电路（ASIC）。除技术开发以外，项目还寻求促使美国建立起一个支持相关技术更广泛部署并扩大其影响的生态系统。②研究革命性组件技术和先进链路概念，实现高度可扩展、封装内光输入/输出，促成前所未有的吞吐量。③创建低损耗光学封装方案，实现高通道密度和端口数，以及可重配置、低功率光学交换技术。

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