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2019 年，CEA-Leti 成为首个成功利用 3D 架构将芯片集成到有源中介层上的组织。Leti 及其合作机构 CEA-List 的研究人员目前正在在此基础上开发有源光学中介层，以最小的延迟连接大量芯片。随着行业在越来越大的晶圆上生产越来越多的芯片，这项工作的目标是复杂的系统级封装。
今年夏天，在法国格勒诺布尔举行的 Leti 创新日 2024 活动上，CEA 研究人员分享了最近开发的 Starac，这是一款基于芯片的光学片上网络 演示器，它建立在有源光学中介层上，借鉴了 Leti 在电子中介层方面的早期成就。CEA-List 高级研究员 Yvain Thonnart 表示:“我们保留了在芯片之间路由信息的能力，而无需在大量中间芯片之间跳跃。通过使用光子学，我们计划将延迟大大降低，这比我们之前的工作和当今行业所做的要好。”
虽然无源中介层提供结构支撑和相邻芯片之间的连接，但有源中介层集成了更复杂的电路，可以添加逻辑，在远距离芯片之间路由数据，而无需沿途进行跳跃。无源中介层需要通过跳跃传输数据，这会增加延迟和功耗。随着光学互连的日益普及，未来的游戏规则改变者将是使用光子学而非电子学的有源中介层，以进一步降低功耗和延迟。
描述 CEA-Leti 的 ONoC 拓扑的简单方法是将其称为环，但仔细观察系统中的每个波导就会发现它们以复杂的螺旋状循环。因此，每个芯片都可以与任何其他芯片进行通信，而无需跳过一系列中间芯片。“这有点像大型网络中的点对点，因为我们的架构中没有用于通信的集中控制器，”Thonnart 说。
“在大型计算系统中，有多个带有核心的计算芯片和多个 HBM ，”他说。“英特尔、AMD 和 Nvidia 的最新处理器都是如此。从核心转到附近的 HBM 很容易。但如果您需要从核心转到更远的 HBM，那么您需要执行一系列操作才能获取数据。使用我们的解决方案，延迟将大大改善，因为与更传统的架构中需要经过所有跳跃的旅程相比，在我们的片上光学网络中引导的光的固有延迟非常小。”
CEA-Leti 的光学中介层技术名为 Starac，该研究机构在今年夏天举行的 Leti 创新日 2024 上展示了该技术。Starac使用硅光子学代替铜来传输数据，从而自动提高性能并降低延迟和功耗。它还支持无法使用传统方法构建的路由。与用于连接芯片的传统无源中介层不同，有源光学中介层集成了逻辑电路，可实现直接通信，而传统无源中介层需要多个步骤(或跳跃)才能使数据在远距离芯片之间传输。
CEA-Leti 推出的Starac演示器展示了这项技术，其片上网络 设计由四个芯片组(每个芯片组有 16 个内核)、六个电光驱动器、?10 x 100 μm 中间工艺 TSV 和四个前端布线层组成。其螺旋波导结构(无法在无源中介层上构建)使芯片组能够直接相互通信，无需中间跳跃。这消除了传统多芯片组设计中常见的延迟，随着芯片组数量的不断增加，延迟变得越来越重要。
对于当前和未来的多芯片系统级封装而言，减少延迟、增加带宽并控制功耗至关重要。Starac 系统中的光学中介层允许多个处理器和高带宽内存单元快速高效地交换数据，即使在系统内的长距离内也是如此。CEA-Leti 的工作标志着向使用光子学为 SiP 提供更快、更具可扩展性的通信解决方案迈出了重要一步。
满足永不满足的新应用需求
新架构解决的主要问题是，新应用需要数量大幅增加、功能越来越强大的处理器。随着处理器数量的增加，需要更多的并行性，这意味着需要的数据不只存在于一个点。系统内的多个不同组件需要使用和重用相同的数据。不仅单个封装中的处理器之间需要快速数据传输，而且从系统外部到系统内部以及反之亦然。CEA-Leti 表示，其设计的技术不仅可以在单个封装上运行，还可以扩展以支持两个或多个封装之间的传输。
Thonnart 表示:“我们希望通过这套光学套件实现的目标，是让人们组装大量芯片，而不必担心物理集成。我们在芯片间通信标准化工作方面仍略胜一筹，因为标准仍然侧重于两个芯片之间的点对点连接。最终，我们希望帮助补充标准，使芯片能够与专用的电光芯片对接，从而处理我们片上光学网络的所有方面。”
迈向工业化
与此同时，CEA-Leti 研发项目负责人 Jean Charbonnier 表示，Leti 希望通过 Starac 演示器展示该技术，从而吸引工业合作伙伴。Charbonnier 表示:“我们希望让使用新架构的系统设计师和代工厂都参与进来，让他们与我们合作，为工业生产做好准备。”
工业化道路上的一项挑战是开发高效的制造工艺，以集成所有中介层组件。“我们已经为我们的 Starac 演示器开发了许多新的工艺步骤，”Charbonnier 说道。“3D 互连处理方面的工程工作量巨大，因为它完全是新事物，需要多种不同的专业知识。”
必须聘请 CEA-Leti 光电子和硅元件部门的专家来帮助解决光子节点和芯片 3D 集成中固有的一些兼容性问题。例如，团队必须确定禁入区，以便他们能够在不改变信号的情况下使用硅通孔和波导。在开发完整的演示器之前，必须单独进行研究以验证不同的子流程。
现在演示项目已经完成，“我们有很多事情可以改进，甚至完全重做，”Charbonnier 说。“例如，我们可以将激光器直接放在设备上，以避免光纤与激光器发生共振。而在封装方面，仍有很大改进空间。
“我们希望在未来一年左右建立行业合作伙伴关系，以帮助我们解决一些流程和封装问题，并让我们更接近这项技术可能解决的实际问题，”Charbonnier 补充道。
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