光互连技术

铜互连有极限吗？极限在哪里？

伴随着数字化的进程，数据的处理、存储和传输得到了飞速的发展。高带宽的需求使得互连成了系统发展的瓶颈。受损耗和串扰等因素的影响，基于铜线的电互连在高带宽情况下的传输距离受到了限制，成本也随之上升，而且过多的电缆也会增加系统的重量和布线的复杂度。目前的芯片到芯片互连速度为6～8Gbps，在铜介质达到了它的物理极限后，将需要光学来将该产业带到20Gbps甚至更高。随着铜导线上信号频率的增加，衰减很快成为一个限制因素，而使用光连接就能在很大程度上避免这一点。

一般来讲，板间、框间信号的主要载体是铜互连和光互连。对于铜互连，通常采取两种方法增加传输带宽，一种是增加传输路径的数目，也就是增加铜互连线的数量。带来的问题是ASIC的管脚越来越多、PCB层数增加、系统成本也随之上升；另一种办法则是提高线速，使用更高速的IO，采用差分技术等等。带来的挑战是信号完整性问题突出，整个物理线路的设计难度增加。

光互连与铜互连比较，具有带宽高、损耗小，基本不存在串扰、匹配和电磁兼容等的优点（图1）。单芯片光互连已经得到广泛应用，而大容量(千G级)的平行多芯光互连技术在板间、框架间，以及短途机柜间互连中逐渐显示了一定的应用前景。通常将这种传输距离在300米之内的大容量光互连解决方案称为“短距离光互连”。



光互连可采用光纤连接方式，除此之外还可以采用其它的方式。光底板技术就是在传统的印刷电路板中加入一个光通讯层，用光波导取代传统的PCB铜钱，从而解决高频PCB布线的传统难题。未来的电路板将是一种印刷电路板和印刷光路板POB的复合体。目前光底板技术已经有实验原型。阻止这种技术普及的主要原因并不是技术上的困难，而是光电转换器件还不能和各种CPU芯片直接集成在一起。独立的光电转换器件增加了系统的成本和复杂度。

另一种方法是自由空间光互连，不依靠传输介质，直接利用自由空间和透镜／反射镜将两个芯片用光束连接起来。理论上由于不受I/O引脚的限制，自由空间光互连可以把芯片之间的数据交换速率提高上千倍。光互连同样也可以进入到芯片内部。集成光路是近年来在通信领域发展迅速的一种技术。尽管目前集成光路还限于集成光栅、光波导、光开关等纯光的功能，但随着集成电路芯片主频的提高，本来在芯片内部的短距离也将变成相对的长距离，将光互连应用到集成电路芯片内部的趋势也不可避免，尽管这一过程可能还要10到15年。

未来光互连将会在高性能计算机系统中无处不在。Primarion公司对未来计算机芯片有一个大胆的预言：未来的芯片将不再有密布的引脚，只有电源引脚和光纤输入／输出接口。所有的数据交换都将通过光接口来完成。Intel公司也已经开发了一个光互连架构，它可能构成下一个10年芯片到芯片互连的基础，例如将一个微处理器和它的逻辑芯片组连接起来。

Intel已经意识到光互连是未来发展方向，通过光连接可以实现规模效应，而且消费者使用起来非常便捷。那么，要实现这些有哪些关键技术需求呢？首先，要有廉价、快捷的光连接。光互连经常用于长距离互连，比如50千米甚至更远。因为有时要在很深的地下做光纤铺设，对测试环境的要求也就非常高。所以，现在光互连的使用成本仍很高，只有当价格处于比较合理的区间时，消费者才能真正接受光纤传输。

此外，还要减少连接器的数量，使某一种连接可以支持各种不同的流量。多个设备之间可以实现直接交换通信流量，这样也可以进一步降低成本。在未来，不管发明什么样的设备，这些连接方式都可以支持。这样才能保证各种不同的设备都能很好地连接起来。

作者：秦文芳（wqin@semi.org）