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        DARPA PIPES項目展示光學互連成果,光信號接口代替了傳統電子I/O,實現傳輸距離和效率的大幅提升

        摘要:在美國國防高級研究計劃局(DARPA)“面向極端可擴展性的封裝光子”(PIPES)項目的支持下,英特爾和Ayar Labs公司的研究人員展示了在使用光改善芯片互聯性方面的初步進展。

          在美國國防高級研究計劃局(DARPA)“面向極端可擴展性的封裝光子”(PIPES)項目的支持下,英特爾和Ayar Labs公司的研究人員展示了在使用光改善芯片互聯性方面的初步進展。

          通過光纖傳輸信號支撐了今天互聯網的發展,光收發器在數據中心也無處不在,但數字系統仍然依靠電子在金屬線上的移動來推動板上集成電路(IC)之間的數據。芯片封裝的電信號傳輸的局限正越來越限制整體帶寬和信號傳輸效率,從而影響了先進系統的性能。

          PIPES項目正在探索擴大光學組件使用范圍的方法,以解決這些限制問題,并使數字微電子器件達到新的性能水平。該項目的主要目標是開發具有光子接口的先進集成電路,能夠在每個封裝中以低于1pJ/bit的功耗驅動大于>100Tbps的輸入/輸出(I/O)。

          2019年11月,Ayar Labs因獲得DARPA PIPES項目經費支持而被選為英特爾的光I/O解決方案合作伙伴。Ayar使用硅制造技術來開發高速的、基于光學的互連“小芯片”,并使用光來替代傳統的通信電子產品,將互連帶寬密度提高1000倍,功耗降低10倍。

          為了完成演示,英特爾和Ayar Labs的研究人員采用了DARPA另外兩個項目所取得的技術進步,一是光優化嵌入式微處理器(POEM)二是通用異構集成和IP重用策略(CHIPS)。

          DARPA POEM項目。項目尋求開發可集成在嵌入式微處理器中的光子技術,以實現微處理器與動態隨機存儲器(DRAM)內部和之間的無縫、高效、高容量通信。Ayar Labs在POEM項目下的工作實現了第一個TeraPHY光學I/O小芯片。

          DARPA CHIPS項目。研究人員還利用了DARPA CHIPS項目下英特爾開發的低功耗信號標準和小芯片封裝工藝。為了幫助應對設計成本的快速增加和提高系統靈活性,CHIPS項目目標是開發一個離散的模塊化、可重復使用的IP塊生態系統,可以使用各種集成技術將其組裝到系統中。該項工作的關鍵是建立通用接口標準,英特爾為此研發了高級接口總線(AIB)。AIB是一個公開可用的開放接口標準,使該項目下工作的Intel和其他芯片IP供應商可以輕松構建可相互操作的小芯片。PIPES團隊使用AIB接口標準來集成MCM和封裝內光學器件。

          在PIPES項目的第一階段,Ayar的TeraPHY小芯片與采用AIB接口和Intel EMIB硅橋封裝的Intel FPGA共同封裝,成功地用高效的光信號接口取代了先進現場可編程門陣列(FPGA)的傳統電輸入/輸出(I/O)——電串行器/解串器(SERDES)小芯片。這些SERDES小芯片可在需要快速數據移動時補償有限的I/O,從而實現高速通信和其他功能。

          用于演示的共封裝TeraPHY小芯片采用GlobalFoundries 45nm工藝制造,能夠支持每秒2 Terabits(Tbps)的I/O帶寬,功耗只是電I/O的一小部分。團隊還利用英特爾先進的封裝和互連技術,將TeraPHY和英特爾FPGA內核集成在一個封裝中,創建了帶有封裝內光學器件的多芯片模塊(MCM)。集成的解決方案通過帶有直接來自FPGA的單模光纖實現高速數據鏈路,大大提高了互連范圍、效率和延遲。

          DARPA PIPES項目負責人Gordon Keeler博士說:“該初期成果展示了朝著實現可利用光信號優勢的強大系統邁出了一大步。帶有光接口的FPGA將產生廣泛的影響,改善高性能計算、人工智能、大規模仿真和先進雷達等與國防部相關的能力。通過這次演示,英特爾團隊朝著我們的目標邁出了堅實的一步。”

          隨著PIPES的進展,英特爾團隊將繼續提高集成技術的性能。在該項目的下一階段,PIPES研究人員都將聚焦使總信號速率達到100Tbps甚至更高,使各種光子學技術日趨成熟,并滿足對效率、延遲和帶寬密度的苛刻要求。

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