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銅互連有極限嗎？極限在哪里？ 伴隨著數字化的進程，數據的處理、存儲和傳輸得到了飛速的發展。高帶寬的需求使得互連成了系統發展的瓶頸。受損耗和串擾等因素的影響，基于銅線的電互連在高帶寬情況下的傳輸距離受到了限制，成本也隨之上升，而且過多的電纜也會增加系統的重量和布線的復雜度。目前的芯片到芯片互連速度為6～8Gbps，在銅介質達到了它的物理極限后，將需要光學來將該產業帶到20Gbps甚至更高。隨著銅導線上信號頻率的增加，衰減很快成為一個限制因素，而使用光連接就能在很大程度上避免這一點。 一般來講，板間、框間信號的主要載體是銅互連和光互連。對于銅互連，通常采取兩種方法增加傳輸帶寬，一種是增加傳輸路徑的數目，也就是增加銅互連線的數量。帶來的問題是ASIC的管腳越來越多、PCB層數增加、系統成本也隨之上升；另一種辦法則是提高線速，使用更高速的IO，采用差分技術等等。帶來的挑戰是信號完整性問題突出，整個物理線路的設計難度增加。 光互連與銅互連比較，具有帶寬高、損耗小，基本不存在串擾、匹配和電磁兼容等的優點（圖1）。單芯片光互連已經得到廣泛應用，而大容量(千G級)的平行多芯光互連技術在板間、框架間，以及短途機柜間互連中逐漸顯示了一定的應用前景。通常將這種傳輸距離在300米之內的大容量光互連解決方案稱為“短距離光互連”。 
光互連可采用光纖連接方式，除此之外還可以采用其它的方式。光底板技術就是在傳統的印刷電路板中加入一個光通訊層，用光波導取代傳統的PCB銅錢，從而解決高頻PCB布線的傳統難題。未來的電路板將是一種印刷電路板和印刷光路板POB的復合體。目前光底板技術已經有實驗原型。阻止這種技術普及的主要原因并不是技術上的困難，而是光電轉換器件還不能和各種CPU芯片直接集成在一起。獨立的光電轉換器件增加了系統的成本和復雜度。 另一種方法是自由空間光互連，不依靠傳輸介質，直接利用自由空間和透鏡／反射鏡將兩個芯片用光束連接起來。理論上由于不受I/O引腳的限制，自由空間光互連可以把芯片之間的數據交換速率提高上千倍。光互連同樣也可以進入到芯片內部。集成光路是近年來在通信領域發展迅速的一種技術。盡管目前集成光路還限于集成光柵、光波導、光開關等純光的功能，但隨著集成電路芯片主頻的提高，本來在芯片內部的短距離也將變成相對的長距離，將光互連應用到集成電路芯片內部的趨勢也不可避免，盡管這一過程可能還要10到15年。 未來光互連將會在高性能計算機系統中無處不在。Primarion公司對未來計算機芯片有一個大膽的預言：未來的芯片將不再有密布的引腳，只有電源引腳和光纖輸入／輸出接口。所有的數據交換都將通過光接口來完成。Intel公司也已經開發了一個光互連架構，它可能構成下一個10年芯片到芯片互連的基礎，例如將一個微處理器和它的邏輯芯片組連接起來。 Intel已經意識到光互連是未來發展方向，通過光連接可以實現規模效應，而且消費者使用起來非常便捷。那么，要實現這些有哪些關鍵技術需求呢？首先，要有廉價、快捷的光連接。光互連經常用于長距離互連，比如50千米甚至更遠。因為有時要在很深的地下做光纖鋪設，對測試環境的要求也就非常高。所以，現在光互連的使用成本仍很高，只有當價格處于比較合理的區間時，消費者才能真正接受光纖傳輸。 此外，還要減少連接器的數量，使某一種連接可以支持各種不同的流量。多個設備之間可以實現直接交換通信流量，這樣也可以進一步降低成本。在未來，不管發明什么樣的設備，這些連接方式都可以支持。這樣才能保證各種不同的設備都能很好地連接起來。 作者：秦文芳（wqin@semi.org） |
