光電共封裝（CPO）通過先進(jìn)封裝和電子與光子的協(xié)同優(yōu)化，顯著縮短電互連長(zhǎng)度，是提升帶寬密度和能效的顛覆性方法。CPO的核心思想是光電融合，硅平臺(tái)是CPO的優(yōu)選平臺(tái)。CPO是一個(gè)跨學(xué)科的研究領(lǐng)域，涉及光子器件、集成電路、封裝、建模仿真、應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)化等。本文旨在全面闡述CPO的最新進(jìn)展、主要挑戰(zhàn)及潛在解決方案，從而為讀者提供有用的參考。相關(guān)工作以Co?packaged optics (CPO): status, challenges, and solutions為題于2023年3月20日發(fā)表在Frontiers of Optoelectronics期刊上。本文從器件制備、激光器、DSP、建模仿線個(gè)方面的內(nèi)容對(duì)CPO的現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)及解決方案進(jìn)行了深入探討。
CPO技術(shù)需要開發(fā)先進(jìn)的工藝制程及器件結(jié)構(gòu)。在3D集成的CPO形式中，硅光子芯片作為較短距離互聯(lián)的中間連接器件，可以實(shí)現(xiàn)更低的功耗。此外，標(biāo)準(zhǔn)的硅光子制造技術(shù)必須與封裝進(jìn)行協(xié)同開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)更好的整體性能。
分析了激光芯片的要求。結(jié)果表明，高輸出功率和熱電制冷器（TEC）是CPO外置激光器功耗的主要貢獻(xiàn)因素。本小節(jié)提出了降低外置激光器器功耗的潛在解決方案。
光功率傳輸系統(tǒng)往往被過度簡(jiǎn)化或甚至被忽略。本節(jié)試圖從三個(gè)方面闡述光功率傳輸中的基本問題，具體來說包括：功率需求的增長(zhǎng)，需要什么技術(shù)，以及主要的挑戰(zhàn)是什么。
DSP芯片在CPO中扮演著重要角色。本節(jié)總結(jié)了主機(jī)端和線路端電互連的要求，并指出了DSP設(shè)計(jì)的考慮因素，包括收發(fā)機(jī)架構(gòu)、時(shí)鐘方案和均衡實(shí)現(xiàn)等。
微環(huán)調(diào)制器具有小面積、高能效，且與波分復(fù)用兼容等特點(diǎn)，對(duì)CPO而言是一個(gè)非常有前途的候選方案。同時(shí)也面臨著許多挑戰(zhàn)，如波長(zhǎng)控制和偏振敏感性等。本節(jié)總結(jié)了微環(huán)收發(fā)器陣列的挑戰(zhàn)和最新的進(jìn)展，并提供了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的建議。
MZM已經(jīng)商業(yè)化，是替換現(xiàn)有可插拔光模塊的重要解決方案。然而，MZM驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)在電壓擺動(dòng)、帶寬、能量效率等其他方面面臨著諸多挑戰(zhàn)。本節(jié)重點(diǎn)介紹MZM發(fā)射機(jī)的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)。
與BiCMOS相比，基于CMOS的光接收器在集成度、能量效率和成本方面更加兼容CPO。本節(jié)將提供CMOS光接收前端芯片設(shè)計(jì)的最新進(jìn)展，為未來CPO全集成電芯片的設(shè)計(jì)指明道路。
2.5D、3D封裝技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高帶寬、低功耗的高集成度CPO。本節(jié)主要討論IMECAS開發(fā)的2D/2.5D/3D硅光共封裝模塊、2D MCM光模塊封裝問題以及硅光晶元級(jí)封裝的挑戰(zhàn)。
電光聯(lián)合仿真是大規(guī)模電光聯(lián)合設(shè)計(jì)的前提條件。然而，這個(gè)領(lǐng)域相對(duì)不成熟，面臨許多方法論及工程方面的挑戰(zhàn)。主流方法是將光子器件模塊集成到電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化平臺(tái)中。本節(jié)主要討論光子器件建模、時(shí)域仿真和頻域仿真的挑戰(zhàn)和解決方案。
本節(jié)將光互連鏈路分解為硬件和軟件兩部分，相應(yīng)地討論它們的現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)以及它們?nèi)绾斡绊懝怄溌泛途W(wǎng)絡(luò)的完整性。最后，本節(jié)討論了光互連在未來HPC網(wǎng)絡(luò)中的下一個(gè)里程碑。
出于兼容性的考慮，HPC一直不愿意轉(zhuǎn)向新技術(shù)。到目前為止，光電混合集成并沒有真正發(fā)揮其集成優(yōu)勢(shì)。本節(jié)分析了CPO的不同互連設(shè)計(jì)考慮，并提出了加速CPO在HPC中應(yīng)用的建議。
中國(guó)計(jì)算機(jī)互連技術(shù)聯(lián)盟（CCITA）已經(jīng)通過協(xié)調(diào)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界，發(fā)起了中國(guó)CPO標(biāo)準(zhǔn)化的工作。本節(jié)概述了中國(guó)CPO標(biāo)準(zhǔn)化工作的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)考慮。
CPO技術(shù)是光電融合思想的重要應(yīng)用，將給數(shù)據(jù)傳輸帶來顛覆性的改變，是光電子信息領(lǐng)域的核心關(guān)鍵技術(shù)。本文從光器件、電子芯片、封裝、建模仿真、標(biāo)準(zhǔn)化等多方面對(duì)CPO技術(shù)的最新進(jìn)展、主要挑戰(zhàn)及潛在解決方案進(jìn)行了全面的闡述，以期加快我國(guó)在該技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)程。
譚旻，博導(dǎo)、華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院和武漢光電國(guó)家研究中心雙聘教授。主要研究領(lǐng)域?yàn)楣怆娙诤闲酒O(shè)計(jì)及其建模仿真技術(shù)。主要研究貢獻(xiàn)包括：通過集成電路設(shè)計(jì)與集成光子的有機(jī)結(jié)合，發(fā)展了以反饋控制為核心的模擬光電融合芯片設(shè)計(jì)新方向，并在高性能運(yùn)放、動(dòng)態(tài)電源、硬件復(fù)用及波長(zhǎng)穩(wěn)定性控制等方面做出了多項(xiàng)創(chuàng)新性的研究成果。目前已經(jīng)在JSSC, TIT, TCAS-I, TCAS-II, JLT, OE, ISCAS等國(guó)際一流期刊和會(huì)議上發(fā)表一作及通訊作者論文40多篇，申請(qǐng)及獲授權(quán)專利30余項(xiàng)。任ICTA等會(huì)議的技術(shù)委員會(huì)成員，《光通訊研究》期刊青年編委，《Frontiers of Optoelectronics》期刊青年編委，教育部學(xué)位與研究生教育發(fā)展中心評(píng)議專家，教育部學(xué)位中心博士論文評(píng)審專家，國(guó)家自然科學(xué)基金函評(píng)專家，中科院學(xué)部“光電融合集成”前沿交叉研判項(xiàng)目組成員，JSSC, TCAS-I, JLT, TPE, ISCAS, TCAS-II等多個(gè)雜志審稿人。開設(shè)了功率集成電路、高級(jí)功率集成電路、光電融合芯片與系統(tǒng)等課程。
Frontiers of Optoelectronics (FOE)期刊是由教育部主管、高等教育出版社出版、德國(guó)施普林格（Springer）出版公司海外發(fā)行的Frontiers系列英文學(xué)術(shù)期刊之一，以網(wǎng)絡(luò)版和印刷版兩種形式出版。由北京大學(xué)龔旗煌院士、西安電子科技大學(xué)張新亮教授共同擔(dān)任主編。
