多晶粒系統(Multi-die System)等繁複架構為探索新類型元件開創新途徑，進一步優化系統的功率、效能和面積(PPA)，光子元件即為其一。本文探討將光子元件整合至多晶粒系統以打造次世代晶片的發展潛力。
多晶粒系統(Multi-die System)為半導體產業帶來巨大變化。設計團隊將單一封裝的晶片進行異質整合，尋找新方法來為摩爾定律注入更多活力。同時，這些繁複架構也為探索新類型元件開創新途徑，進一步優化系統的功率、效能和面積(PPA)，例如光子元件。
光子利用光的速度進行快速、低功耗、高容量的資料傳輸。大量資料需要在多晶粒系統的不同元件之間快速遷移。考量到這一點，利用光的優勢可實現快速資料傳輸，同時降低散熱和能源消耗問題。簡而言之，對於高效能運算(High-performance Computing, HPC)和人工智慧(AI)/機器學習(ML)等頻寬密集型設計，以銅線互連(Copper Interconnects)會消耗過多功率預算。光子IC克服傳統電子電路的一些限制，適用於此領域。
異質整合技術能夠結合不同製程節點和類型的元件(包括電子電路和光子電路)。本文將深入解析將光子元件整合至多晶粒系統，如何為需要更大頻寬、能源效率和密度的次世代晶片提供另一種解決方案。
以光的速度進行運算
傳統上，光纖連線用於傳統資料中心的機架之間(透過銅線互連連接各種硬體元件)。然而，由於銅不適合更高頻寬的設計，在越來越短的距離之間，使用光纖連線的趨勢日益成長。截至目前為止，半導體技術正在探索光學中介層(Interposer)和die-to-die互連，與此同時，光學I/O已經出現在交換器、CPU和GPU等核心晶片中。幾年前，光學元件並不屬於多晶粒系統的探討內容，而如今這類元件已成為相關討論的重要一環。
憑藉光的特性，光子能夠進行資料傳輸、擴展並提高資料傳輸量，符合運算密集型應用所需的結果：提高頻寬和速度，同時降低延遲和功耗。在高效能應用領域中，由於頻寬限制和功耗劣勢，使用銅線互連的成本日益高昂。
針對運算密集型HPC應用，單一SoC在功能擴展與良率方面的限制正推動多晶粒系統的發展。多晶粒系統可以採用分解式方法，將大型晶片分割成更小的晶片，獲得比單一晶片更好的系統良率並降低成本。此外，多晶粒系統也可由採用不同製程技術的晶片組成，達到最佳的系統功能和效能。此類系統中，不同晶片可進行水平互連，或是在2.5D或3D封裝中進行堆疊。無論採用何種方法，此類繁複又相依的系統，相較於大型單一SoC，可提供更高的頻寬、更短的延遲，並具有功耗效率及尺寸的優勢。
整合電氣元件和矽光子的光學I/O小晶片(Chiplet)可以在多晶粒系統中實現更優秀的效能表現，而不會影響AI和其他次世代工作負載的功耗。未來將可看到光學互連支援多晶粒系統中晶片之間的短距離連接，讓元件能夠更緊密地放置在一起，以獲得更高的密度。因應TB級(Terabytes)及以上的資料，相較於現今常用的矽中介層，光學互連消耗能源更少，並可實現更高的效能。隨著元件間距持續縮短，可以利用具備小型矽晶片的有機中介層來驅動電氣訊號。如果這些小晶片是由光學元件製作而成呢？光學連結與更高效能的電氣連結可以回應產業對更高晶片密度和頻寬的持續需求。
光子IC平衡頻寬/能效需求
針對光子和多晶粒系統的結合，有兩個正在進行研究或開發的關鍵應用：CPU/GPU系統的光學I/O，以及高頻寬記憶體的光學I/O(特別適用於滿足AI訓練應用對記憶體頻寬的需求)。建置收發器的技術開始轉向矽光子(Silicon Photonics)，可以看到矽晶片中的高速收發器在驅動光學連接。如果光學連結能夠以高速且幾乎沒有延遲的速度來分解資料中心的運算，將可同時減少這些應用的連接數量。
隨著資料中心持續發展，光學小晶片和I/O與矽基ASIC晶片的放置距離越來越緊密的趨勢也持續存在。根據這個走向，最終將可以看到這些元件堆疊在3D封裝之內，進而提高密度並提供能源效率的優勢。未來，可插拔式收發器(包括高速光學收發器)可能將被可以整合電子和光子元件的共同封裝光學元件(Co-packaged Optics)取代，以提高頻寬容量並降低功耗。共同封裝光學元件可說是多晶粒系統的一部份，提供更強大的解決方案，在頻寬、密度與能源效率需求之間取得平衡。
隨著雷射推動光子電路發展，「光學功率供應」的整合也成為關鍵挑戰。此外，也必須面對散熱、穩定性、可維護性與成本等問題。整合雷射有助解決前述挑戰，例如OpenLight具備整合雷射的開放矽光子平台，便可將矽光子輕鬆整合至晶片設計。
光子/多晶粒系統擘劃未來
設計和驗證內含光子電路的多晶粒系統面臨獨特挑戰，傳統晶片設計流程必須進行調整，才能負責處理從架構探索到簽核和製造的相依性。對於所有內含共同封裝光學元件的設計，光學元件與電氣元件必須一起進行模擬，而非單獨進行模擬。廠商如新思科技(Synopsys)可以協助應對這些挑戰。新思科技多晶粒系統解決方案包含EDA和IP，能夠進行架構早期探索、軟體快速開發與系統快速驗證、高效率的晶片/封裝共同設計、強韌且安全的die-to-die連接，並強化製造與和可靠性。新思科技光學解決方案可為光子系統、裝置與IC提供縝密設計流程。
展望未來，若缺少光子或多晶粒系統，半導體的未來將難以捉摸。隨著我們的世界越來越智慧與互連，頻寬需求只會繼續提升。藉由光子與多晶粒系統(以及將兩者整合在一起的能力)等突破性創新，工程師正在為全新的創新奠定基礎，而這些創新必將改變我們生活、工作與娛樂的方式。
(本文作者皆任職於Synopsys EDA Group)