數據中心高速傳輸是提升目前算力的重要技術之一，光通信已經在數據中心內部服務器互聯中廣泛應用，而在更微觀的角度，光互連還能夠被應用到主板上CPU與GPU的互連，甚至是更小尺度下的片上互連。

在2024年光纖通信大會（OFC）上，英特爾集成光子解決方案（IPS）部門展示了業界首款完全集成的光學計算互連（OCI）chiplet芯粒，該芯粒與英特爾CPU封裝在一起，將過去通過銅線實現的電氣I/O接口傳輸數據，變成采用光學I/O解決方案，實現了高帶寬片上互連的突破。

AI數據中心，需要更高帶寬的互連

隨著“百模大戰”的打響，目前市面上琳瑯滿目的AI大模型產品都需要大量的算力進行支撐，包括模型研發階段的訓練以及在實際落地中進行的推理計算都需要海量算力。隨著AI模型變得越來越復雜，它們需要更多的計算資源和數據交換能力。高帶寬互連可以提供必要的數據吞吐量，以支持這些大型模型的訓練和推理。

而目前數據中心算力提升主要包括兩部分，一是采用算力更高的計算卡，二是提高大規模數據中心服務器或CPU和GPU之間的帶寬，提高整體系統的效率，比如英偉達的NVLink、AMD/英特爾/谷歌/微軟等巨頭共同組建的UALink標準等。

而從更加微觀的角度來看，在算力芯片中，每個模塊或者說每個Die、chiplet模塊之間其實也需要進行互連。以往芯片上都采用傳統的電互連，銅作為電傳輸信息的介質。但畢竟銅是有電阻的，在高速數據傳輸過程中，發熱、損耗、功耗等都較高，相比之下，光傳輸損耗極低，且過程中不產生熱量，非常適合解決數據傳輸瓶頸問題。

在AI計算中，尤其是深度學習算法通常需要大量的并行計算，更高帶寬的互連能夠讓芯片上信息交換效率大大提升，從而實現更高效的并行處理。另外在chiplet封裝的趨勢下，多個模塊封裝在同一基板上集成為單顆SoC，更高速的片上互連則能加快這些芯粒之間的數據傳輸，從而提升計算能力。

從結構上看，片上光互連其實是一種光子集成芯片技術，將不同功能的有源器件和無源器件集成在同一塊光電基板上。光電基板上具有光子路由波導，這些波導被用于數據通信，和用于電路走線的多層金屬層。CMOS電芯片堆疊在硅光芯片上，在光電基板上形成二維陣列。

光從基板上的激光光源中發出，輸入到基板上的路由波導，通過波導到達光芯片上的調制器。這個時候電芯片上的信息數據，通過電芯片和光芯片之間的微凸塊加載到環形調制器中，將數字1和0轉換為光的強度差異。

調制后的光信號通過光電基板上的波導傳播，到達其他光芯片上的光電探測器中。這個時候光信號就被轉換成電信號，這些信息就被不同的電芯片所接收。

當然在實際應用中，每個CMOS芯片和光芯片之間，都有數以千計的微凸塊被用于數據傳輸。因為光信號傳播不需要銅導線，損耗小，延遲低，這樣就實現了在光電基板上進行高能效、高帶寬密度、低延遲的光互連。

英特爾的集成OCI芯粒有哪些亮點？

據英特爾介紹，在OFC上展示的OCI芯粒集成了硅光子集成電路，包括片上激光器和光放大器、與電子集成電路。OCI芯粒除了在現場展示的與英特爾CPU封裝在一起外，還可以與下一代的CPU、GPU、IPUs以及其他SoC集成。

英特爾OCI支持高達4Tbps的雙向數據傳輸速率，與第五代PCIe兼容。在OFC現場光學鏈路演示展示了兩個CPU平臺之間通過單模光纖（SMF）跳線連接的發射機（Tx）和接收機（Rx）。CPU生成并測量了光比特錯誤率（BER），演示展示了在單根光纖上8個波長、200GHz間隔的Tx光譜，以及一個32Gbps的Tx眼圖，展示了強大的信號質量。

目前的OCI芯粒支持每個方向上64個通道的32Gbps數據傳輸，傳輸距離可達100米（盡管由于飛行時間延遲，實際應用可能限制在幾十米以內），使用八對光纖，每對攜帶八個密集波分復用（DWDM）波長。共封裝解決方案的能效也非常高，每比特僅消耗5pJ，相比之下，可插拔光收發模塊大約為15pJ/bit。這種超高效能水平對于數據中心和高性能計算環境至關重要，并且可能有助于解決人工智能不可持續的功率需求問題。

作為在硅光領域投入多年的半導體巨頭，英特爾的主要優勢就是高度集成化，采用混合激光器晶圓上技術和直接集成，這帶來更高的可靠性和更低的成本。這種獨特的方法使英特爾能夠在保持效率的同時提供卓越的性能。英特爾強大、高容量的平臺已經出貨超過800萬個光子集成電路（PICs），集成了超過3200萬個芯片級激光器，顯示出時間失效（FIT）率低于0.1，可靠性極高。

小結：

除了英特爾之外，目前在片上光互連領域還有曦智科技、Ayar Labs等企業在投入研發，并取得了一定成果。2023年Hot CHIPS會議上，曦智科技展示了其片上光互連技術上的最新進展，該系統的通道數為512，單通道最長廣播距離為50mm，廣播延時1ns，單通道頻率4GHz，片上總帶寬達到2Tbps。可以預見，隨著數據中心算力需求的提高，片上光互連將會加快落地的進程。