В начале нового года желаю всем благополучного будущего! На ISSCC2024 компания Intel продемонстрировала свой последний прогресс в области CPO: «4-канальный оптический передатчик на базе VCSEL, 4 × 64 Гбит/с NRZ 1,3 п Дж/б с оптоволоконной оконечностью», с использованием массивов VCSEL, микросхем драйверов и т. д. Осуществляет высокоскоростную передачу сигнала с низким энергопотреблением. В этой заметке Сяодуя дает краткое описание соответствующего прогресса.

Когда я впервые увидел это название, Сяодуя был удивлен: Intel активно участвует в области кремниевой фотоники и добилась массового производства оптических модулей кремниевой фотоники. Почему она изучает соединение CPO на основе VCSEL? На слайдах Intel сравниваются сценарии применения электрического соединения, одномодового и многомодового оптического соединения, как показано на рисунке ниже.

Электрическое соединение подходит для расстояний передачи менее 1 м, что соответствует соединению внутри печатной платы. Потери в канале увеличиваются с увеличением скорости сигнала, а многомодовая оптика подходит для расстояний передачи от 1 м до 10 м. В соответствии с соединением сигналов внутри стойки, основными преимуществами VCSEL являются низкое энергопотребление и низкая стоимость, одномодовая оптика подходит для расстояний передачи более 10 м, что соответствует соединению сигналов между стойками. Для оптического соединения на коротких расстояниях в центрах обработки данных решения VCSEL получили широкое признание на рынке. Естественно подумать об использовании решений VCSEL в области CPO для дальнейшего снижения энергопотребления и увеличения плотности полосы пропускания.

Прототип Intel VCSEL CPO показан на рисунке ниже. Чип TX, чип драйвера VCSEL и массив VCSEL размещены на одной подложке. Два электрических чипа расположены на подложке в перевернутом виде. Расстояние сигнальной линии между чипом TX и чипом драйвера составляет 12 мм, а расстояние между чипом драйвера и VCSEL составляет 0,8 мм.

Внутренняя архитектура двух электрических микросхем показана на рисунке ниже. Чип TX в основном используется для генерации 4-канальных высокоскоростных электрических сигналов. Чип драйвера содержит модуль CTLE, который используется для регулировки высокочастотной характеристики. VCSEL и увеличить полосу пропускания сигнала. Оба электронных чипа используют 22-нм техпроцесс FinFET.

Принципиальная схема микросхемы драйвера показана на рисунке ниже и содержит четыре субмодуля: входной каскад, CTLE, каскад усиления и выходной каскад.

Intel добавляет к традиционной конструкции CTLE дроссель, который сглаживает кривую S21 VCSEL, тем самым увеличивая полосу пропускания. Кроме того, CTLE можно настроить так, чтобы VCSEL работал при различных токах смещения.

Тестовая линия прототипа показана на рисунке ниже. Тактовый сигнал подключается к подложке через дорожки печатной платы. VCSEL подключается к оптическому переключателю через оптическое волокно длиной 1,5 метра, а затем подключается к осциллографу через 2-метровый кабель. длинное оптическое волокно.

Результаты испытаний показаны на рисунке ниже. Все четыре канала достигли скорости передачи сигнала 64 Гбит/с, а энергопотребление всей системы составило всего 1,3 п Дж/бит. В разобранном виде тактовая часть составляет 0,48 п Дж/бит, чип TX — 0,16 п Дж/бит, чип драйвера — 0,29 п Дж/бит и чип VCSEL — 0,37 п Дж/бит. Коэффициент битовых ошибок в канале может достигать менее 1e-12.

Потребляемую мощность можно дополнительно снизить за счет уменьшения тока смещения, как показано в таблице ниже.

Для самого чипа драйвера расчетная полоса пропускания составляет 26 ГГц, но при настройке CTLE скорость его сигнала может достигать 80 Гбит/с, как показано на рисунке ниже.

Intel по сравнению с другими прогрессами в области межсоединения на основе VCSEL Как показано в таблице ниже, показатели сложности и производительности системы лучше, чем предыдущий прогресс. С одной стороны, это связано с использованием Intel 22-нм процесса CMOS, а с другой стороны. , это также связано с некоторой оптимизированной схемотехникой.

Подводя краткий итог, компания Intel реализовала прототип четырехканального передатчика CPO на базе VCSEL, основанный на тщательной оптимизации схемы, со скоростью одноканального сигнала 64 Гбит/с. NRZ, Потребляемая мощность всей линии связи составляет 1,3 п Дж/бит. Благодаря уникальному дизайну модуля CTLE в Driverchip,Может расширить полосу пропускания VCSEL,Уменьшите ток смещения,Дальнейшее снижение энергопотребления системы. IBM также усердно работает над внедрением системы CPO на базе VCSEL.,Сяодоуяо было представлено в моих предыдущих заметках.(OFC 2023: прогресс CPO на базе VCSEL)。

Похоже, кремниевая фотоника — не единственный технический путь для CPO.,Раствор кремниевой фотоники нельзя встряхивать.VCSELПри передаче сигналов на короткие расстояниярасходыПреимущества。LuxteraНа основе кремниевой фотоникиAOCпродукт,Но в итоге сопутствующий бизнес развалился. Основными сценариями применения современных кремниевых фотонных сменных оптических модулей являются DR4 или FR4.,Дальность передачи варьируется от сотен метров до нескольких километров. Конечно, в долгосрочной перспективе,Преимущества интеграции кремниевой фотоники и соответствующие преимущества плотности полосы пропускания,Массивы VCSEL и другие решения на основе дискретных компонентов не могут конкурировать. Как использовать сильные стороны и компенсировать слабости,Начиная с производительности и расходов,Создайте систему, которая использует интеграцию кремниевой фотоники ПреимуществаизKiller Приложение — это вопрос, над которым стоит задуматься.