挑战VCSEL TSMC押注MicroLED光学互联
EEE spectrum称台积电押注非传统光学技术，与Avicena合作优化基于 MicroLED 的超低能耗光链路，以增强与 AI 数据中心架构的集成。LED听着很熟悉，但它与光互连有啥关系？先来看下Avicena是何方神圣Avicena 是一家位于美国加州桑尼维尔的私营公司，其基于MicroLED 的光互连技术LightBundle™，旨在为HPC、AI、机器学习 和内存分解等应用提供超低功耗、高带宽和低延迟的芯片间通信。该公司于 2022 年收购了 Nanosys 的GaN MicroLED 晶圆厂（该晶圆厂此前由glō所有，glō已在专注于显示器的 MicroLED 开发方面投资超过 2 亿美元）.这使得Avicena 能够优化这些MicroLED，使其适用于高速数据传输。核心组件氮化镓 (GaN) MicroLED 阵列：发射端采用基于GaN 的微型MicroLED 阵列（通常称为腔体增强型光学微发射器或CROME）。这些MicroLED 发射蓝光，并利用MicroLED 显示器行业的技术针对高速数据传输进行了优化。每个MicroLED 都充当一个光学发射器，以每通道高达14 Gbps 的速率传输数据，并在宽温度范围（-40°C 至 +235°C）内具有出色的可靠性。CMOS兼容光电探测器 (PD) 阵列：接收器端由与标准CMOS集成电路兼容的硅光电探测器 (PD) 阵列组成。这些光电探测器捕获microLED发出的光信号，并将其转换回电信号进行处理。多芯光纤：microLED阵列通过专用多芯光纤连接到光电探测器阵列。每根光纤芯与单个microLED对齐，从而实现跨越数百或数千个光通道的并行数据传输。与使用多路复用技术的传统单光纤光学系统不同，Avicena的方法使用多根光纤芯并行传输数据，从而简化了设计并降低成本。
工作原理数据编码：来自芯片（例如GPU、CPU 或内存模块）的电数据由收发器 ASIC处理，该 ASIC 通常内置于先进的CMOS 节点，例如 16nm finFET。ASIC 通过调制microLED 将电信号转换为光信号，每个LED 代表一条数据通道。光传输：每个microLED 发射经数据调制的蓝光，这些蓝光通过多芯光纤束中其专用的纤芯传输。该系统的并行特性允许数百或数千条通道同时运行，从而实现超过1 Tbps（太比特/秒）的总带宽，海岸线密度超过 1 Tbps/mm。数据接收：在接收端，光电探测器阵列捕获光信号，并将其转换回电信号。ASIC 处理这些信号，以最低的延迟和极高的能效（低于1 pJ/bit）将数据传输到目标芯片。
主要特性和优势高带宽密度：LightBundle 支持数 Tbps 数据速率，海岸线密度超过1 Tbps/mm，非常适合连接GPU、CPU 和高带宽内存 (HBM) 模块。超低功耗：该技术实现了低于1 pJ/bit 的能效，显著低于传统的电气或基于激光的光互连，从而降低了数据中心和HPC 系统的功耗。扩展覆盖范围：虽然针对短距离到中距离（最长 30 米，有望达到 100 米）进行了优化，但它突破了铜基电气互连的局限性，后者的衰减速度通常只有几毫米。成本效益：Avicena的解决方案利用成熟的 MicroLED 显示屏生态系统，并避免使用复杂的激光系统（例如 VCSEL 或硅光子系统），从而降低了成本并简化了制造流程。稳健性：与传统的激光系统相比，GaN MicroLED 对温度变化的敏感度更低，能够在汽车、航空航天和工业应用等恶劣环境下可靠运行。兼容性：该技术可与 CMOS IC 无缝集成，并支持 UCIe、OpenHBI 和 BoW 等并行芯片接口，以及 PCIe/CXL 等计算互连和HBM/DDR 等内存链路。与传统方案的比较基于激光的光互连（例如VCSEL、硅光子学）：这些互连提供更长的传输距离，但由于需要外部激光源或严格的对准要求，功耗更高、成本更高、更复杂。Avicena的 MicroLED 简化了对准过程（以类似乐高积木的公差进行了演示），并降低了功耗和成本。此外，单根光纤承载数十条以多种波长形式存在的GPU到交换机链路，计算开销巨大：将每条数据通道传输到单独的物理通道比之后以电子方式解析一个大通道要简单得多。示例实现Avicena 的LightBundle 收发器 IC 采用 16nm finFET CMOS 工艺进行演示，尺寸小于 12 mm²，支持超过300 个 4 Gbps 通道，实现 >1 Tbps 的双向带宽。它包含用于光传输/接收和高速电接口的电路，并具有误码率测试(BERT) 和 OEM(open eye monitor)监控等功能。
MicroLED 面临的挑战：应用障碍：将数据中心过渡到基于MicroLED 的互连需要新的基础设施（例如，光纤类型、收发器），而这在成本和兼容性方面面临阻力。可靠性和可扩展性：虽然Avicena 的演示成果令人鼓舞，但与VCSEL 相比，其在生产环境中的长期可靠性仍未得到验证。
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