【光电集成】用于高性能计算的硅基光电子应用中的集成光互连系统(iOIS)

今日光电

三、复合中介层（interposer）

A. 通用的CPO结构

通用的CPO结构分为三种类型：MCM、有机中介层和无机中介层，它们在ASIC与OE的电气互连方面各不相同（图3）。在MCM型的CPO中，ASIC和OE集成在封装基板上，并用铜线相互连接。随着系统带宽的要求越来越高，这种结构遭遇了ASIC和OE之间的带宽密度低的问题。

有机中介层（如InFO_OS）具有ASIC和OE之间更细间距RDL（2/2 微米）的特点，可提供比MCM更高的带宽密度，因此可视为无机中介层之前的临时解决方案。[5]。

无机中介层，如CoWoS_S，具有BEOL铜互连（0.4/0.4 μm）和微凸块，通常能为通信或计算系统提供更高的带宽密度[6]。

图3. 三种通用的CPO结构：(A)MCM，(B)有机中介层（如InFO_OS），和(C)无机中介层（如CoWoS_S）。

B. 带桥的CPO结构

为了降低成本，要避免全部使用无机中介层。我们在MCM与有机中介层的结构中，使用硅桥或LSI（CoWoS_L中的局部硅互连），来提供局部高密度电气互连网络（图4）。使用电桥可以为有机中介层提供可行的高密度互连解决方案，以扩大封装尺寸的范围，突破无机中介层的限制。

图4. 两种带有嵌入式桥梁的通用CPO结构。(A)将电桥嵌入封装基板，而 (B) 则嵌入有机中介层（如 CoWoS_L）中。

CoWoS_S和CoWoS_L都不适合需要高密度波导作为光通道来连接封装内不同OE的应用（图2. (D)和(E)）。在iOIS我们提供的CI结合了BEOL铜互连（ASIC 和OE之间）和多层介质波导系统（作为OE之间的光互连网络）。

C. 带计算-HBM模块的CPO结构

CPO结构的一种特殊形式出现在需要HBM和ASIC紧密相连的应用。在这些应用中，计算单元（如GPU）和HBM被紧密地放置在同一个无机中介层上，以获得最大的封装内电带宽。图5 (A)到(C)显示了计算-HBM模块在MCM、有机和无机中介层上面的实现。而(D)是将HBM、计算单元和OE放置在无机中介层的同一表面上的“扁平”的结构。

图5. 带有计算-HBM模块的四种CPO结构：（A）MCM、(B)有机中介层，和(C)无机中介层。(D)是(C)的"扁平"形式。

将计算-HBM 模块和嵌入式桥接器结合到MCM或有机中介层中，可实现图6（A）和图6（B）中的结构。(C)和(D)中有"扁平"版本存在。

图6. 四种CPO结构（带桥的计算-HBM模块）：(A)在MCM中，(B)在有机中介层中。(C)和(D)分别是(A)和(B)的"扁平"形式。

D. CPO搭配PIC或单片OE作为有源光学中介层的结构

PIC本身可作为无机有源光中介层。图7 (A)和(B)是一般ASIC和计算-HBM的有源光中介层结构。在这类CPO结构中，OE可以用EIC替代以进一步简化。图7(C)和(D)分别是图7(A)和(B)的简化版，而(E)是图(D)的"扁平"版本。

图7. 以PIC作为无机有源光中介层的五种CPO结构：(A)是主机ASIC的通用形式，而(B)则是用专门的计算-HBM模块来取代ASIC。(C)和(D)分别是(A)和(B)的简化版。(E)是(D)的"扁平"版本。

ASIC或计算-HBM模块也可以用单片OE作为无机有源光中介层来实现。在这种特殊情况下，具有EIC和PIC的单片OE共用同一层SOI，因此不需要单独的EIC（图8 (A)和(B)）。请注意图7 (C)到(E)和图8 (A)到(B)中，光纤耦合器必须放置在有源中介层的表面上，或在有源光中介层顶部安装一个特殊的光纤采用器。这通常会增加封装工艺的复杂性。

在上述两种情况下，无论是独立的PIC或单片OE作为有源光中介层，用以承载 ASIC、存储器和OE。两者都能提供硅波导层，实现芯片到芯片的封装内光互连，

不过由于使用全SOI基底面，成本较高。此外，当ASIC直接连接到有源光互联器的顶部时，如图7(A)、(C)、(E)和图8 (A)到(B)，需要一种有效的热解决方案来减轻对PIC器件的热污染。

图8. 以单片OE作为无机有源光中介层的两种CPO结构：(A)是主机ASIC的通用形式，而(B)则采用专门的计算-HBM模块来取代ASIC。

E. 复合中介层结构

iOIS作为一个CPO平台，由COUPE2.0和CI(图 9）构成。CI具有高度集成的双光电互联(DEOI)网络，提供(1)ASIC和OE之间的电气互连，和(2) OE之间的封装内光互连网络。当CI电用于ASIC与OE之间的互连时，可提供高带宽电气互连标准的BEOL RDL。为了满足ASIC与OE之间不断增长的带宽需求，与MCM解决方案相比，CI的电气接口可提供37.2倍的带宽提升，和0.19倍的能耗改善。表II是各种CPO方案电气互连的性能比较图。

当CI用于封装内芯片到芯片的光互连网络时，它可以在OE之间提供低损耗、多层波导系统。根据系统的要求，这个光路由层还可用于光功率和/或光时钟分配。由于采用了缝合技术，波导的长度不受网罩尺寸的限制。波导传播损耗可达到0.21 dB/cm，90度弯曲损耗为每圈0.009 dB。 相邻波导之间的过渡损耗为0.015 dB。估计的滩前带宽密度（假设单波长和每信道100 Gbps）则约为44.9 Tbps/mm。COUPE2.0与CI之间的光接口经过特殊设计，过渡损耗仅为0.015分贝。

COUPE2.0和CI之间的超低耦合损耗为异构集成提供了坚实的基础。包括先进光学器件（如III-V激光器、半导体光放大器(SOA)、III-V族雪崩光电二极管(APD)、及其他非硅基光学器件。新增的模块化电子光学功能极大地扩展了iOIS平台的应用空间。

图9. 基于CI的CPO：（A）基本配置，（B）用于芯片到芯片的光互连，以及(C) iOIS平台的模块化电气-光学功能。请注意，所有光学元件(OE、激光器、SOA、APD、LNOI等）都与CI光耦合，耦合损耗估计约为0.015 dB。

IV. 结论

首次提出将iOIS作为计算和通信系统的CPO平台。其两个组成部分COUPE2.0和CI可提供无与伦比的性能、功耗和设计灵活性。在COUPE2.0中，垂直宽带耦合器与嵌入式微透镜集成在一起。其损耗为0.3 dB，对准误差为10 μm。这种耦合器不仅具有垂直耦合器的高耦合容差和设计灵活性、还有水平耦合器的宽带处理能力。PBSR可与该耦合器集成，通过禁用光束偏转功能，该耦合器还可用作超低损耗边缘耦合器，以满足特定的系统设计目的。

在CI系统中，高度集成的DOOI层可提供电气互联，其电气带宽密度为37.2倍，ASIC和OE之间的能耗为0.19倍。集成的多层单模光路由层可产生0.21 dB/cm的传播损耗。90度弯曲的传播损耗为0.009 dB。相邻波导之间的过渡损耗为0.015 dB。光互联的聚合单信道滩前带宽密度可达44.9 Tbps/mm。CI接口的独特设计，使CI与COUPE2.0之间的耦合损耗仅为0.015 dB，这为未来的异构集成各种高性能非硅光学元件铺平了道路。COUPE2.0中的宽带垂直耦合器与CI中的波导系统无缝集成，从而共同为CPO光学系统设计提供无与伦比的性能和灵活性。

总之，作为基于3DFabric的CPO平台，iOIS可以满足多样化的技术需求，并产生更具成本效益的可制造的解决方案，并与代工厂的2.5D/3D路线图一致。

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