[原创] 光电I/O芯片来了，带宽比传统铜连芯片提高十倍

日前，总部位于加利福尼亚州埃默里维尔的硅光子初创公司Ayar Labs宣布，其名为TeraPHY的光电I/O芯片即将Tape Out。据他们介绍，这个产品能够让芯片与芯片之间与光的速度进行通信。他们承诺，这个I/O芯片的带宽将会高达1 Terabit/s，较之传统的铜互联芯片快十倍。

我们知道，现行的铜引脚和电信号因为本身的材料限制，正在面对包括功率，数据范围和芯片空间限制等问题。随着处理器性能的提高，我们需要更快的数据速率，需要给芯片提供更多的数据，并且在处理期间也会产生更大数据，这种传统的芯片的局限就进一步凸显。另外，在摩尔定律逐渐失效之后，过去几年的处理器性能增长已经大大放缓，但电驱动芯片通信仍无法跟上步伐，这就让人们对这个问题有更严肃的思考。

按照Ayar Labs首席战略官兼公司联合创始人Alex Wright-Gladstein的说法，人们一致认为，芯片传输的最高数据速率是100Gbps。“该行业真的甚至不同意我们会在2018年之前达到极限，但这场辩论已经彻底消失了，”她告诉The Next Platform。

稍微考虑一下未来，一个10 teraflop处理器可能是超大规模超级计算机的基础，它需要大约10 Tbps的芯片I / O才能使用。但这需要大约2,000个铜引脚，它们聚在一起的功率大约为100瓦。这听起来很有问题，因为这个功耗不是芯片的，而只是I / O引脚。

而融合了光通信和半导体的硅光子学，则被广泛视为芯片级I/O的解决方案，这也是英特尔，IBM，HPE，富士通和其他公司多年来一直致力于追求的技术，但是经济高效的解决方案在过去的多年里一直难以实现，主要是因为这些设备往往采用外来化合物构建，并依赖于特殊的半导体制造技术。这对于长距离光纤通信来说很好，但对于短距离电光学，成本需要与服务器和芯片定价保持一致，这就是难点所在。这也是Ayar能从竞争中脱颖而出的地方。

该创业公司已设法使用标准CMOS工艺（与用于蚀刻商用微处理器上的集成电路的制造技术相同）构建其器件，且不需要是一个前沿的流程节点。Ayar方面透露，其推出的第一个TeraPHY芯片将使用GlobalFoundaries的45纳米CMOS SOI工艺，与IBM公司内部生产blue Gene / Q处理器用到的工艺相同。因此，该公司显然已经克服了困扰其他电光解决方案的主要问题——成本障碍。

Ayar的技术源于DARPA资助的一个为期10年，耗资2000万美元的项目，该项目吸引了来自麻省理工学院，加州大学伯克利分校和科罗拉多大学博尔德分校的研究人员。该项目称为光子优化嵌入式微处理器（POEM），旨在解决处理器级别的I / O瓶颈问题。该研究小组演示了一个原型光电芯片，随后在2015年12月发表的一篇学术论文中对其进行了介绍。麻省理工学院的MBA毕业生Wright-Gladstein说服了研究人员Mark Wade，Chen Sun，Rajeev Ran和Milos Popovic这项技术应该商业化，并共同创建了Ayar Labs公司。

根据该公司的网站，初代的TeraPHY设备是一个1.6 Tbps光收发器，每个模块包含四个400G收发器。除了光源（由单独的256通道激光模块提供，称为SuperNova）之外的所有组件都已集成到设备中。当中包括电接口，光调制器，光电探测器和密集波分复用（DWDM）波长复用器/解复用器，以及所有驱动器和控制电路。

Wright-Gladstein表示，该解决方案不仅提供了高性能的光电设备，而且还能够在典型的长距离光收发器的1/100尺寸区域内实现这一目标。“由于这个100倍的尺寸差异，你现在正越过电气SerDes设定的阈值，制造一个小于电气I / O的光学I / O，”她说。

根据Wright-Gladstein的说法，放弃其他硅光子解决方案的的设计则需要一些额外的修补。他承认，芯片可能有点“挑剔”。但是，如果你将器件与高性能晶体管集成在一起，你可以非常可靠地使用这些晶体管来操作TeraPHY，她强调。

TeraPHY采用“chiplet”的形式设计，旨在集成到多芯片模块中去，这种模块在高端处理器封装中变得越来越普遍。TeraPHY的Tape Out将于本季度末（2019年第一季度）完成，而Ayar硅技术合作伙伴的首批集成产品将于2020年上市。

尽管最近我们与Wright-Gladstein和Ayar首席执行官Charlie Wuischpard进行了对话，但这些合作伙伴的身份仍然是一个谜。不过他们表示，他们的第一个商业产品最初将出现在数据中心交换机中。这很有意义，因为TeraPHY本质上是一个光学收发器，而交换机供应商已经熟悉了它们在盒子中的集成。

往大处看，TeraPHY还可以被集成到用于数据中心任务的CPU，GPU，FGPA，定制ASIC以及DIMM等各种多芯片封装中。光通信不仅可以大大加快芯片到芯片和芯片到存储器的数据传输速度，而且还可以实现服务器处理器，内存和本地存储的分解，从而为更高效，更灵活的设计铺平道路。“我们[打算]做的是让世界各地的英特尔，AMD，Nvidias，HPE和Crays基于这项技术建立新的架构，”Wuischpard解释道。

Ayar的主要客户群，至少在最初阶段，将主要是高性能计算机和超大规模云数据中心的所有者。这些客户对带宽的需求最为贪得无厌，对控制电源使用的过分关注以及对光通信技术的充分理解。这使他们成为这些第一代硅光子产品的良好匹配。Ayar认为其目标市场将高达290亿美元。

此外，该公司正在关注包括自动驾驶汽车，物联网和各种移动设备在内的其他应用领域，我们希望让所有芯片都通过光进行通信，”Wright-Gladstein说。

理想情况下，Ayar能够将其产品销售给多个芯片和系统供应商，但如果该技术的能力只有Ayar的一半，那么该公司将在不久之后被收购。虽然几乎任何服务器，网络，存储或电信供应商都可以从拥有自己的硅光子IP中受益，但最大的获益者将会是像英特尔和AMD这样的芯片制造商。

如果TeraPHY芯片的使用效果正如他们所说，那么它们可以大大提高数据中心产品的功能、英特尔的Xeon处理器、Stratix和Arria FPGA，以及AMD的EPYC处理器和Radeon GPU。异构封装（CPU-FPGA和CPU-GPU）会是这个芯片的应用方向。

考虑到AMD 对其EPYC产品线中chiplet封装概念的热情，以及相对于其主导竞争对手（英特尔和Nvidia）而言，它需要为其数据中心芯片提供更强的差异化，它可能是这家光学I / O芯片公司的理想买家。与此同时，英特尔也有自己的硅光子计划，因此可能不愿加入竞争技术。

随着今年晚些时候TeraPHY芯片的供样和2020年的商业部署即将到来，未来几年可能会证明Ayar是否有收购价值，无论是整个公司还是其产品。