Некоторое время назад широкое внимание привлекли новости о сотрудничестве TSMC с Nvidia и Broadcom по разработке технологии кремниевой фотоники. Мощный альянс гигантов определенно окажет глубокое влияние на индустрию кремниевой фотоники. Broadcom в настоящее время является одной из немногих компаний, выпускающих продукты CPO. В этой заметке в основном рассказывается о прогрессе и деталях технологии CPO.

Продукты CPO кремниевой фотоники Broadcom показаны на рисунке ниже. Более крупный чип посередине — это чип Switch, окруженный четырьмя световыми двигателями. Каждый оптический механизм содержит 32 Tx и 32 Rx. Скорость одноканального сигнала составляет 100 Гбит/с. Общая пропускная способность каждого оптического механизма составляет 3,2 Тбит/с, что можно понимать как четыре кремниевых оптических чипа 800G. Пропускная способность всей системы составляет 12,8 Тбит/с. . Broadcom представил четыре особенности системы CPO, а именно: оптические разъемы высокой плотности, 3D-интеграцию высокой плотности, входные и выходные интерфейсы с согласованным шагом и оптические устройства высокой плотности (оптический компонент высокой плотности).

(Изображение взято с https://www.broadcom.com/blog/broadcoms-persistent-cadence-copackaged-optics-innovation)

В упаковочном решении CPO 3D от Broadcom используется последнее решение TSV. Пластина EIC сначала наращивает выпуклость на передней стороне, а затем прикрепляет ее к пластине-носителю из стекла. Затем пластина EIC утончается до толщины 75 мкм и выполняется DRIE-травление (глубокое реактивное ионное травление) до тех пор, пока не обнажится M1. Шаг TSV составляет 130 мкм, а металл RDL осаждается в отверстии TSV. Далее на обратной стороне пластины EIC формируется медный столбик для последующего соединения с PIC. После того, как EIC разрезается на матрицы, он прикрепляется к пластине PIC методом CoW (чип на пластине). Пластины PIC нарезаются с помощью скрытой нарезки кубиками. Вырезанный чип продолжает монтироваться на матрице линз. Весь 3D-чип в корпусе называется SCIP (кремниевый фотонный чиплет в корпусе). Чипы ASIC и чипы SCIP в конечном итоге прикрепляются к подложке. Сечение всей микросхемы показано на рисунке ниже.

(Изображение из документа 1)

Это решение для упаковки очень близко к решению Intel. Оно также переворачивает PIC на EIC, как показано на рисунке ниже. Оно не использует решение перестановки EIC на PIC и не использует технический маршрут производства TSV. в ПИК.

(Изображение взято с https://epic-assoc.com/wp-content/uploads/2021/12/Robert-Blum-Intel.pdf)

Компания Broadcom также разработала съемный оптический разъем. С одной стороны, если оптическое волокно повреждено, его можно легко заменить, с другой стороны, оптоволоконный узел модуля CPO можно разместить на последнем этапе всего процесса. Процесс упаковки Избегайте воздействия небольших участков пигтейлов на упаковку во время предыдущего процесса сборки. Кроме того, съемные оптические разъемы позволяют избежать воздействия напряжения при изгибе оптических волокон. Благодаря конструкции слота для карт в некоторых механических конструкциях оптоволоконный массив может обеспечить пассивное выравнивание с чипом PIC, что снижает стоимость упаковки CPO, как показано на рисунке ниже.

(Изображение из документа 1)

Внутри оптического разъема используется конструкция с двойной матрицей линз. На переднем конце краевого соединителя и на переднем конце оптоволоконной матрицы PIC имеется матрица линз, что соответствует позициям 218 и 220 на рисунке ниже. Две матрицы линз образуют систему коллимации, которая снижает требования к точности выравнивания муфты. Кроме того, массив волокон не контактирует напрямую с торцевой поверхностью PIC, что в определенной степени защищает торцевую поверхность краевого соединителя.

(Изображение из документа 2)

Компания Broadcom самостоятельно разработала модуль внешнего лазерного источника (удаленный лазерный модуль, обозначаемый как RLM) и приняла стандартный пакет QSFP-DD, как показано на рисунке ниже. Broadcom не приняла гибридное интеграционное решение. С одной стороны, это было связано с лазерным рассеиванием тепла, а с другой стороны, это также вопрос простоты обслуживания. Оптическая мощность одного лазера достигает 21 д Бм, что позволяет поддерживать 4-сторонние каналы PIC. Каждый RLM содержит 8 DFB-лазеров, поэтому он может поддерживать 32 PIC, то есть один RLM поддерживает один оптический двигатель.

(Изображение из документа 1)

Поскольку в CPO расстояние между микросхемой коммутатора и оригинальным двигателем уменьшено, потери в электрическом канале значительно уменьшаются. На частоте 26 ГГц потери от ASIC к Tx составляют 2 д Б, а потери от Rx к ASIC — 2,5 д Б. По сравнению с энергопотреблением сменных оптических модулей 15-20 п Дж/бит, энергопотребление системы CPO снижается до 5-10 п Дж/бит, что составляет снижение более чем на 50%.

(Изображение из документа 1)

Результаты тестирования концов Tx и Rx показаны на рисунке ниже.,ER на конце Tx составляет 4 д Б.,TDECQ составляет 2 д Б.,Все довольныIEEEтребования。RxудовлетворенIEEEОBER<2.4e-4необходимыйOMAДиапазон9dB,Маржа больше.

(Изображение из документа 1)

Выше приведено краткое введение в технологию CPO кремниевой фотоники Broadcom. Она имеет три основные особенности: 1) TSV на EIC. lastПлан выполнен3DУпаковочное решение；2）Съемные оптические разъемы с поддержкой двойной линзовой матрицы；3）Решение с использованием внешнего подключаемого модуля источника света。BroadcomтекущийCPOпродукт Он пока не должен использовать платформу кремниевой фотоники TSMC.(Последние достижения платформы упаковки кремниевой фотоники TSMC),Платформа iOIS TSMC использует решение, которое обрабатывает TSV-middle в PIC. Съемный оптический разъем для модуля CPO,Это стало консенсусом в отрасли,Включая Intel, Cisco, Broadcom и т. д.,Все уже выпустили сменные оптические разъемы.,Облегчает тестирование и обслуживание системы.,Устраните неудобства, вызванные косичками. С одной стороны, мы видели технические решения Broadcom.,Может использоваться в качестве ссылки,Важнее то, почему они не выбрали другой вариант.,Соображения, стоящие за этим. Для продукта,Предпочитаю выбирать маршрут с низким риском, высокой технологической зрелостью и высокой доходностью.,Использование подключаемого оптического разъема TSV-last и внешнего источника света.,Все должно основываться на этом соображении

Ссылки:

1. K. Muth, et.al., "High Density Integration Technologies for SiPh Based Optical I/Os", ECTC 2023 2. R. Schaevitz, et.al., "Silicon photonic edge coupled connector via collimation", US20230251428A1