文/Sally Cole Johnson

图1：传输速度为 4TB/s双向带宽的 TeraPHY 光 I/O 芯片。

Ayar Labs正在率先为人工智能（AI）系统架构中的最大瓶颈提供解决方案：主要是在图形处理器（GPU）或中央处理器（CPU）等计算芯片之间进行高带宽数据传输。

如今，GPU和CPU之间的通信是通过铜线进行电路传输的。然而电子架构的路线即将走向终点，而光信号则提供了一条更复杂的前进道路。未来的芯片到芯片之间的通信，将需要光子技术。

“我们的 TeraPHY 系列封装光芯片可以与计算芯片封装在一起，将光的数据流量转换为电子的数据流量，从而使电子能够‘与芯片上的系统对话’。然后，光离开封装并传播到另一个芯片上的另一个 TeraPHY，”Ayar Labs商业运营副总裁Terry Thorn 说，“它允许 TeraPHY 用它能理解的语言（即电子）与片上系统（SoC）对话，同时用光子实现封装之间的通信。”与目前最先进的技术相比，这种技术大大改善了延迟、带宽和能效。

“我们用SuperNova远程多波长光源为芯片提供光源，”Thorn补充道，“对于芯片组（chiplet）中的每个传输组件，都必须有一个光源来传输数据，因此每个chiplet都有一个从SuperNova发出的光源。”

SuperNova 采用分布式反馈 (DFB) 激光阵列。第一代产品有 “8个端口，与芯片上的8个端口 1:1 配对，”Thorn解释说，“每个端口或者SuperNova中的光纤分别携带8个波长。每个波长都是一个数据传输切片（transport slice）。8个端口乘以8个波长意味着64条数据路径。”

目前正在设计的下一代SuperNova，预计将于2025年推出样品，Ayar Labs 将保留其 8 端口配置，但将波长数增加一倍，达到 16 波长，实现了数据路径的加倍。Thorn说，“这就是我们的SuperNova所使用的激光阵列。”

在光子集成芯片方面，第二代 TeraPHY（将于 2025 年推出）的核心技术将保持不变。但一个重要的变化是转向电子接口——通用芯片快速互连（UCIe）标准封装。

“从采用的角度来看，符合行业标准对我们来说很重要。”Thorn说，“UCIe规范将极大助力第二代芯片的市场应用。”

UCIe 规范由计算芯片制造商使用，因此可以说，它为 Ayar Labs 提供了一个电气着陆区。Thorn解释说，“由于我们的芯片组和他们的计算芯片是按照相同的规范制造的，并且可以相互交流，这就为我们在市场上提供了更广泛的应用——有可能将相同SKU（库存单位）的芯片组应用到许多不同类型的计算和数据流量架构中。

从芯片的光子学角度来看，激光能力的增强也提高了芯片的能力。“目前的芯片速度是4TB/s，而即将于2025年推出的采用UCIe结构的芯片速度将达到 8TB/s。”Thorn说。Ayar Labs的芯片是由GlobalFoundries在其Fotonix工艺（300mm硅晶圆；见图2) 上制造的，而 SuperNova 则来自多个供应商。

图2：基于 GlobalFoundries Fotonix 单片射频 (RF) 互补金属氧化物半导体 (CMOS) 的 TeraPHY 光学 I/O 晶圆。

硅片上的集成光子学

将光子技术集成到多芯片封装中时（见图 3），会遇到一些挑战。

“我们正在将光子技术融入到电气封装中，”Thorn说，“制造过程中有几件事是不同的：首先，需要测试封装中的电路，以确保其‘良好’并达到预期性能，但现在还需要测试封装中的光子学，这是在封装测试线上实施的新行为。我们和合作伙伴花费了大量时间和精力，来确保我们在封装和测试方面具有大批量生产能力。”

光子学封装中涉及的光纤（不仅仅是光纤的连接，还包括光纤束在系统中的路由）需要以大批量的方式完成。

另一个挑战是热管理。Ayar Labs创建SuperNova的原因之一是，“激光在温度动力学上的表现与硅不同，”Thorn说，“我们的芯片采用CMOS工艺制造，因此它能承受的温度范围和表现与 CPU 和 GPU 所用的硅片相同。但是，当激光器开始变热或在硅所达到的温度下工作时，它们的表现就开始不同了。它们的寿命会受到影响，波长的产生、跟踪和移动方式也会受到影响。”

因此，激光光源是单独远程搭建的，并且设计成可以放置在服务器机架的不同部分，甚至远离服务器机架，为激光器的寿命提供更有利的环境，而芯片则可以放在硅片旁边。

图3：一个包含四个TeraPHY光I/O芯片和客户专用集成电路的多芯片封装。

发展计划

Ayar Labs 已经生产了数千个芯片的工程样品，以供市场来检验其制造、封装和测试过程。

“根据我们的客户在解决数据中心内部问题方面的需求，以及他们在生态系统支持方面取得的进展，预计到2026-2028年期间，

光I/O的商业产品将会大量涌现。”Thorn说，“大家首先会看到它被那些需要它并能带来最大利益的领域所采用——人工智能基础设施领域。未来在任何需要更大通道、更低能耗、更快传输数据的地方，都将会采用光 I/O。”

除了人工智能基础设施，Ayar Labs还与Lockheed Martin等公司合作，探索飞机上的雷达系统如何从光学芯片中受益。“雷达系统的计算芯片与铜线相连，所以雷达系统之间的通信都是通过铜线进行。”Thorn解释说，“如果用光纤取代铜线，用光互连取代电互连，不仅可以获得更快的数据传输速率，让你以不同的方式思考如何使用雷达系统，而且还可以减轻飞机的重量。只要能减轻飞机或轮船的重量，就能将其转移到其他可能需要携带的有效载荷上，从而从中获益。”

Ayar Labs正在研究的另一个很有意思的应用领域是与爱立信合作开发的基站塔——探索在基站塔顶如何采用光学芯片实现更多的计算结构，而不是将计算送到更中央的计算中心。

预计在 2026-2028 年人工智能基础设施和数据中心应用窗口之后，许多其他市场也可能会跟进。

“参与到这项工作中真的很酷，”Thorn 说，“在行业内，很少有机会参与到真正彻底改变数据中心和计算引擎工作方式的事情中。这项工作就是其中的一个时刻，能够参与其中真的令人非常兴奋。”