CN114660710A - 晶圆级光互连与交换片上*** - Google Patents

晶圆级光互连与交换片上*** Download PDF

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Abstract

本发明提供一种晶圆级光互连与交换片上***，包括：片间交换模块，用于实现片间互连，包括第一激光阵列和至少两组片间互连波导；片内计算存储模块，用于片内节点数据的接收、存储、计算和发射，包括第二激光阵列和第二光电收发引擎；中央交换节点模块，与所述片间交换模块或所述片内计算存储模块互连，用于实现片内节点数据之间的信号路由或片间的信号交换，包括第一光电收发引擎；其中，第一激光阵列作为第一光电收发引擎的激光输入，第二激光阵列作为第二光电收发引擎的激光输入，第二光电收发引擎通过波导连接第一光电收发引擎。本发明实现了光电芯片混合集成，在单片上实现了光电互联，降低了互连损耗，提升了互连密度。

Description

晶圆级光互连与交换片上***
技术领域
本发明涉及集成微波光子学技术领域，具体涉及一种晶圆级光互连与交换片上***。
背景技术
随着互联网行业飞速发展，5G建设和人工智能领域的日渐普及，数据总量飞速增长，呈现出高价值，低品位，多样化的特点，传统的冯诺依曼架构日渐显示出其不足；传统的采用层层堆砌式的数据互连方案，不论是从功耗上还是效能上都出现了极大的弊端；纵然半导体工艺的进步使得单芯片计算能力一直稳步提升，但是提升速度随着数据量的飞速增长而日渐趋缓。因此，如何改变互连方式，如何极大程度的提升互连密度，如何将刚性互连逐渐向软件定义的柔性互连转变，如何将单片计算转变为多片协同计算，如何实现互连方式的可塑性与可重构性就成为了亟需解决的问题。
集成微波光子学应用多种光学器件进行光、电信号的处理，其发展的方向主要有，基于同一材料平台单片集成，在工艺上寻求改善，提升原有器件的性能，但是这种方案时间较长，而且可重构性与灵活性不足，当芯片某个部分因为工艺导致质量不达标，将会影响到整个芯片的可用性；而基于片间耦合的异质材料混合集成，这种方案的优点是充分利用了各个平台的特有优势，带来的问题是基于不同材料的波导在直接耦合时由于光场尺寸有较大差异，大大降低耦合效率，有较大的损耗。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种晶圆级光互连与交换片上***，以期至少部分地解决上述技术问题。
(二)技术方案
本发明提供一种晶圆级光互连与交换片上***，包括：片间交换模块，用于实现片间互连，包括第一激光阵列2和至少两组片间互连波导；片内计算存储模块，用于片内节点数据的接收、存储、计算和发射，包括第二激光阵列4和第二光电收发引擎3；中央交换节点模块，与所述片间交换模块或所述片内计算存储模块互连，用于实现片内节点数据之间的信号路由或片间的信号交换，包括第一光电收发引擎1；其中，所述第一激光阵列2作为所述第一光电收发引擎1的激光输入，所述第二激光阵列4作为所述第二光电收发引擎3的激光输入，所述第二光电收发引擎3通过波导连接所述第一光电收发引擎1。
进一步地，所述片间交换模块和片内计算存储模块均为至少两个。
进一步地，所述第一激光阵列2和第二激光阵列4均为多通道多波长激光阵列，用于多波长阵列激光的输入。
进一步地，所述第一光电收发引擎1和第二光电收发引擎3均由多个发射单元和多个接收单元组成，其中：所述发射单元用于将第一电信号调制成第一光信号，所述接收单元用于将第二光信号转换为第二电信号。
进一步地，所述第一激光阵列2的输出激光数量与所述第一光电收发引擎1的发射单元数量匹配，所述第二激光阵列4的输出激光数量与所述第二光电收发引擎3的发射单元数量匹配，所述第一光电收发引擎1的发射单元数量为所述第二光电收发引擎3的发射单元数量的两倍。
进一步地，所述第一激光阵列2的输出激光通过所述片间互连波导分别引入所述第一光电收发引擎1的发射单元中，作为所述第一光电收发引擎1的发射单元的激光输入。
进一步地，所述第二光电收发引擎3中的发射单元与所述第一光电收发引擎3中的接收单元连通，所述第二光电收发引擎3中的接收单元与所述第一光电收发引擎1中的发射单元连通。
进一步地，所述第一光电收发引擎1和第一激光阵列2均集成于第一芯片上；所述第二光电收发引擎3和第二激光阵列4均集成于不同于所述第一芯片的第二芯片上。
进一步地，所述第二芯片采用端面耦合的方式拼接在所述第一芯片的四周。
进一步地，所述片间交换模块中，所述至少两组片间互连波导的其中一组片间互连波导通过片间端面耦合与其中另一组片间互连波导相连，以进行片间信号传递。
(三)有益效果
基于上述技术方案，本发明的晶圆级光互连与交换片上***相对于现有技术具有如下优点：
(1)本发明实现了光电芯片混合集成，在单片上实现了光电互联，降低了互连损耗，提升了互连密度。
(2)本发明具有可拓展性，交换节点光电收发引擎之间可以直接通过波导耦合的方式二维延拓，直接进行多芯片协同计算，有着柔性的互连方式与极强的可塑性，可以实现高密度互连，大数据容量与强计算能力。
(3)本发明具有可重构性，计算/存储节点光电收发引擎可单独制作，直接通过波导耦合的方式与交换节点光电收发引擎相连，在制作、测试和使用的过程中如果出现问题，不会影响其他芯片的工作，可以直接去除或替换。并且，本发明所使用的计算/存储节点光电收发引擎的数量也可以随意调节，实现网络规模的完全可控。
附图说明
图1是本发明实施例的晶圆级光互连与交换片上***的结构示意图。
图2是本发明实施例的第一光电收发引擎的结构示意图。
图3是本发明实施例的第二光电收发引擎的结构示意图。
【附图标记说明】
1-第一光电收发引擎 2-第一激光阵列
3-第二光电收发引擎 4-第二激光阵列
51-第一接收单元 61-第一发射单元
52-第二接收单元 62-第二发射单元
7-交换芯片 8-计算存储芯片
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提出了一种晶圆级光互连与交换片上***，可以实现大规模，高速高密度的数据互联。本发明公开了一种晶圆级光互连与交换片上***，其采用交换节点的方式进行片内或片间的信号路由，采用波导直接耦合的方式实现光信号传递，采用光电混合集成的方式实现了单片上的光电信息交换，实现了晶圆级芯片的直接互连，实现了网络规模的可调可控，具有可延拓性和可重构性。
图1是本发明实施例的晶圆级光互连与交换片上***的结构示意图。
如图1所示，该晶圆级光互连与交换片上***可以包括：
片间交换模块，用于实现片间互连，包括第一激光阵列和至少两组片间互连波导；
片内计算存储模块，用于片内节点数据的接收、存储、计算和发射，包括第二激光阵列和第二光电收发引擎；
中央交换节点模块，与所述片间交换模块或所述片内计算存储模块互连，用于实现片内节点数据之间的信号路由或片间的信号交换，包括第一光电收发引擎；
其中，第一激光阵列作为第一光电收发引擎的激光输入，第二激光阵列作为第二光电收发引擎的激光输入，第二光电收发引擎通过波导连接第一光电收发引擎。
该晶圆级光互连与交换片上***中，所有器件之间均通过片上波导直接连接或耦合连接。
本发明实施例中，片间交换模块和片内计算存储模块均为至少两个。参阅图1，本发明的多个片间交换模块分别与中央交换节点模块进行互连，以及多个片内计算存储模块也分别与中央交换节点模块进行互连。
在一些实施例中，根据芯片结构与容量的需求，通常单个芯片内采用的片内计算存储模块的数量为16个，片间交换模块的数量也为16个，而中央交换节点模块的数量为1个。也就是说，所有的片内计算存储模块和片间交换模块均与同一个中央交换节点模块进行互连。
可以理解的是，在其他实施例中，单个芯片内采用的片内计算存储模块的数量以及片间交换模块的数量均可根据实际需要进行设置，具体本发明不做限制。
本发明实施例中，第一激光阵列和第二激光阵列均为多通道多波长激光阵列，用于多波长阵列激光的输入。
第一光电收发引擎用于在上层的交换芯片的控制下，实现片内的信号互连与路由或片间互连。第二光电收发引擎用于在上层的计算存储芯片的控制下，实现片内节点信号的接收、存储、计算与发射。
具体地，第一光电收发引擎和第二光电收发引擎均由多个发射单元和多个接收单元组成，其中：发射单元用于将第一电信号调制成第一光信号，接收单元用于将第二光信号转换为第二电信号。
需要说明的是，本发明中第一光电收发引擎和第二光电收发引擎包含的发射单元数量和接收单元数量可根据实际需要进行设定，具体本发明不做限制。
在一些实施例中，为满足数据容量需求且能做到实际可控，第一光电收发引擎通常包括128个发射单元与128个接收单元；第二光电收发引擎通常包含4个发射单元与4个接收单元。
可以理解的是，在同一个光电收发引擎中，发射单元和接收单元的数量相同。
本发明实施例中，第一激光阵列的输出激光数量与第一光电收发引擎的发射单元数量匹配，第二激光阵列的输出激光数量与第二光电收发引擎的发射单元数量匹配，第一光电收发引擎的发射单元数量为第二光电收发引擎的发射单元数量的两倍。
由于第一激光阵列和第二激光阵列均为多通道多波长激光阵列，具体来说，为使得发射单元与接受单元的数量相匹配，且做到实际可控，第一激光阵列可以采用8通道4波长激光阵列，第二激光阵列可以采用4通道4波长激光阵列，其中：
8通道4波长激光阵列具有8个并行的波导输出光信号，每个所述波导输出光信号具有4个不同波长；
4通道4波长激光阵列具有4个并行的波导输出光信号，每个所述波导输出光信号具有4个不同波长。
本发明实施例中，不同通道之间的波长波段可以相同或不同。也就是说，由于不同通道已将激光阵列的输出光信号分为多路光信号，在不同的波导中传播互不影响，所以激光阵列的每一路均不需设置不同波长，因此不同通道之间的波长波段可以相同。
具体来说，在多个片间交换模块与单个中央交换节点模块进行互连的过程中，由于第一光电收发引擎的发射单元包括128个发射单元，片间交换模块的数量为16个，每个片间交换模块中的第一激光阵列具有8个并行的波导输出光信号，因此，每个片间交换模块中的第一激光阵列的输出激光可以分别引入到第一光电收发引擎的发射单元中，作为第一光电收发引擎的发射单元的激光输入，从而达到第一激光阵列的输出激光数量与第一光电收发引擎的发射单元数量匹配。
在每个片内计算存储模块中，由于第二光电收发引擎包含4个发射单元，第二激光阵列可以采用4通道4波长激光阵列而具有4个并行的波导输出光信号，则第二激光阵列的输出激光数量与第二光电收发引擎的发射单元数量匹配。
如图1所示，片间交换模块中的片间互连波导为至少两组，每组片间互连波导连接第一光电收发引擎的一个发射单元或接收单元。
本发明实施例中，第一激光阵列的输出激光通过片间互连波导分别引入第一光电收发引擎的发射单元中，作为第一光电收发引擎的发射单元的激光输入。
本发明实施例中，第二光电收发引擎中的发射单元与第一光电收发引擎中的接收单元连通，第二光电收发引擎中的接收单元与第一光电收发引擎中的发射单元连通。
继续对多个片内计算存储模块与单个中央交换节点模块进行互连的过程进行分析，由于片内计算存储模块的数量为16个，每个片内计算存储模块中的第二光电收发引擎包含4个发射单元，那么多个片内计算存储模块中的第二光电收发引擎中的每个发射单元分别通过波导连接单个中央交换节点模块中的第一光电收发引擎中的发射单元。此时，第一光电收发引擎的128个发射单元，仅有其中64个发射单元或接收单元与多个片内计算存储模块互连，另外64个发射单元或接收单元用于与片间交换模块互连。
本发明实施例中，第一光电收发引擎、片间互连波导和第一激光阵列均集成于第一芯片上；第二光电收发引擎和第二激光阵列均集成于不同于第一芯片的第二芯片上。
进一步地，第二芯片采用端面耦合的方式拼接在第一芯片的四周。
在片间交换模块中，至少两组片间互连波导的其中一组片间互连波导通过片间端面耦合与其中另一组片间互连波导相连，以进行片间信号传递。
需要说明的是，本发明中片间交换模块和片内计算存储模块的具体数量可根据实际需要进行设定，只需调整对应的发射单元或接收单元的数量，使其与对应的激光阵列的通道数相匹配即可，具体本发明不做限制。也就是说，例如第二光电收发引擎包含2个发射单元和2个接收单元，则使用的第二激光阵列则为2通道多波长激光阵列，此时，为保证第一光电收发引擎的发射单元数量为第二光电收发引擎的发射单元数量的两倍，并且为做到实际可控，第一激光阵列可以为4通道多波长激光阵列。
图2是本发明实施例的第一光电收发引擎的结构示意图。
如图2所示，第一光电收发引擎例如可以包括128个第一发射单元61与128个第一接收单元51，其中，所有的第一发射单元61和第一接收单元51均可以通过设置于本发明的晶圆级光互连与交换片上***上层的交换芯片7的控制下，实现片内的多个计算/存储节点之间的信号路由或片间的信号交换。
具体地，所有的第一发射单元61和第一接收单元51可以以每四个或若干个一组交替排列，第一发射单元61和第一接收单元51均匀的分布在上层的交换芯片7的四周，因此本发明的片间交换模块也是均匀的分布在上层的交换芯片7的四周。在进行片间传输时，也可以根据实际需要向二维方向延拓，以适应更大容量或其他可控需求。
在一些实施例中，上层的交换芯片与本发明的第一光电收发引擎可以通过植球或TSV(Through Silicon Via，硅通孔技术)封装连接，实现对第一光电收发引擎互连的可编辑指令控制。
图3是本发明实施例的第二光电收发引擎的结构示意图。
如图3所示，第二光电收发引擎例如可以包括4个第二发射单元62与4个第二接收单元52。其中，所有的第二发射单元62和第二接收单元52均可以通过设置于本发明的晶圆级光互连与交换片上***上层的计算存储芯片8进行控制，实现片内节点信号的接收、存储、计算与发射。
以下继续参阅图1，对本发明的晶圆级光互连与交换片上***的工作原理作进一步详细说明：
首先，由上层的计算存储芯片8的传递数字电信号输入至第二光电收发引擎3的第二发射单元62中，从而将该传递数字电信号转换为光信号，产生光信号输出；输出的光信号输入至第一光电收发引擎1中，由其中的第一接收单元51接收，转变为串行电信号输出，再传输至上层的交换芯片7中，由交换芯片7的可编辑指令控制该串行电信号的流向。
由交换芯片7处理完的中间信号，再次以电信号的形式进入交换芯片7，以控制第一光电收发引擎1中的第一发射单元61发射出去。此时第一发射单元61的光源由片间交换模块中的第一激光阵列2提供。由该第一发射单元61发射出去的信号可流向相邻芯片内进行片间互连交换，相邻芯片之间通过片间互连波导耦合连接，或者由该第一发射单元61发射出去的信号可流向片内任意一个第二光电收发引擎3的第二接收单元52中，第一光电收发引擎1和第二光电收发引擎3通过波导直接连接，将该发射信号转换为第二电信号。
至此，任意两个节点之间一个完整的信号流动已完成。基于相同的工作原理，可以实现任意两个芯片中的任意两个节点之间的互连，在此不再赘述。
综上所述，本发明实施例提供了一种晶圆级光互连与交换片上***，相较于传统的光电芯片互连网络协同运算，本发明可以实现真正意义上的光电混合集成，多芯片协同运算，以及晶圆级芯片直接互连的能力，可提供极大的数据容量和极强的计算能力，同时还具有可拓展性与可重构性的显著优势。
应该注意的是，本发明中使用的“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分不同对象，而不意味着这些对象之间具有任何特定顺序关系。在本发明中，术语“包括”和“含有”及其派生词意为包括而非限制；术语“或”是包含性的，意为和/或。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种晶圆级光互连与交换片上***，其特征在于，包括：
片间交换模块，用于实现片间互连，包括第一激光阵列(2)和至少两组片间互连波导；
片内计算存储模块，用于片内节点数据的接收、存储、计算和发射，包括第二激光阵列(4)和第二光电收发引擎(3)；
中央交换节点模块，与所述片间交换模块或所述片内计算存储模块互连，用于实现片内节点数据之间的信号路由或片间的信号交换，包括第一光电收发引擎(1)；
其中，所述第一激光阵列(2)作为所述第一光电收发引擎(1)的激光输入，所述第二激光阵列(4)作为所述第二光电收发引擎(3)的激光输入，所述第二光电收发引擎(3)通过波导连接所述第一光电收发引擎(1)。
2.根据权利要求1所述的晶圆级光互连与交换片上***，其特征在于，所述片间交换模块和片内计算存储模块均为至少两个。
3.根据权利要求1所述的晶圆级光互连与交换片上***，其特征在于，所述第一激光阵列(2)和第二激光阵列(4)均为多通道多波长激光阵列，用于多波长阵列激光的输入。
4.根据权利要求3所述的晶圆级光互连与交换片上***，其特征在于，所述第一光电收发引擎(1)和第二光电收发引擎(3)均由多个发射单元和多个接收单元组成，其中：
所述发射单元用于将第一电信号调制成第一光信号，所述接收单元用于将第二光信号转换为第二电信号。
5.根据权利要求4所述的晶圆级光互连与交换片上***，其特征在于，所述第一激光阵列(2)的输出激光数量与所述第一光电收发引擎(1)的发射单元数量匹配，所述第二激光阵列(4)的输出激光数量与所述第二光电收发引擎(3)的发射单元数量匹配，所述第一光电收发引擎(1)的发射单元数量为所述第二光电收发引擎(3)的发射单元数量的两倍。
6.根据权利要求4所述的晶圆级光互连与交换片上***，其特征在于，所述第一激光阵列(2)的输出激光通过所述片间互连波导分别引入所述第一光电收发引擎(1)的发射单元中，作为所述第一光电收发引擎(1)的发射单元的激光输入。
7.根据权利要求4所述的晶圆级光互连与交换片上***，其特征在于，所述第二光电收发引擎(3)中的发射单元与所述第一光电收发引擎(3)中的接收单元连通，所述第二光电收发引擎(3)中的接收单元与所述第一光电收发引擎(1)中的发射单元连通。
8.根据权利要求1所述的晶圆级光互连与交换片上***，其特征在于，所述第一光电收发引擎(1)和第一激光阵列(2)均集成于第一芯片上；所述第二光电收发引擎(3)和第二激光阵列(4)均集成于不同于所述第一芯片的第二芯片上。
9.根据权利要求8所述的晶圆级光互连与交换片上***，其特征在于，所述第二芯片采用端面耦合的方式拼接在所述第一芯片的四周。
10.根据权利要求1所述的晶圆级光互连与交换片上***，其特征在于，所述片间交换模块中，所述至少两组片间互连波导的其中一组片间互连波导通过片间端面耦合与其中另一组片间互连波导相连，以进行片间信号传递。
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