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華為《數(shù)據(jù)中心2030》報告中指出高算力芯片的IO帶寬將越來越高，預(yù)計 2030 年，端口速率達 T 級以上。根據(jù)第三方的預(yù)測，2028年數(shù)據(jù)中心內(nèi)將實現(xiàn) 100% 的全光化連接。
臺積電表示，如果我們能提供一個好的硅光子集成系統(tǒng)，我們可以解決人工智能能源效率和計算能力方面的關(guān)鍵問題，這將是一個新的范式轉(zhuǎn)變，我們可能正處于一個新時代的開端。
業(yè)界正在尋求異質(zhì)集成和混合鍵合同時，也在研究以玻璃基板為代表的具有成本效益和改進性能的新材料以及 CPO 等新技術(shù)，以將先進封裝提升到新的水平，滿足下一代AI/HPC性能需求。
人工智能模型的爆炸式增長正在打破現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施——傳統(tǒng)的互連技術(shù)產(chǎn)生了數(shù)據(jù)瓶頸，迫使GPU和其他加速器閑置，限制了計算性能，增加了功耗并推高了成本。為應(yīng)對高性能計算的趨勢，支持超過GPU集群的速度，共封裝光學(xué)（CPO）技術(shù)應(yīng)運而生，通過在共同的封裝基板上集成多個芯片，實現(xiàn)了光學(xué)引擎的集成。
共封裝光學(xué)器件（CPO）的興起在過去十年中，數(shù)據(jù)中心以太網(wǎng)交換機的容量從0.64Tbps 飆升至25.6Tbps，這得益于 64x 400Gbps或32x 800Gbps可插拔光收發(fā)器模塊的采用。然而，這些高速模塊在目前的外形尺寸內(nèi)帶來了重大挑戰(zhàn)，問題包括所需的電氣和光學(xué)連接器密度，以及不斷上升的功耗。
CPO是異構(gòu)集成領(lǐng)域的一個重要進步，其玻璃封裝載板所用到的核心技術(shù)TGV，將硅光模塊和CMOS芯片異構(gòu)集成到一個封裝基板上，這些方法充分利用了玻璃基板的獨特特性，從玻璃基板邊緣進行插拔互聯(lián)，可降低功耗和成本，成為共封裝光學(xué)器件 (CPO) 和集成光學(xué)的定制解決方案。
· CPO與CoWoS技術(shù)不同，當(dāng)玻璃基板技術(shù)無需中介層時即可直接安裝SoC和HBM晶片，這使得在更低的高度內(nèi)安裝更多晶片成為可能。
· 當(dāng)玻璃通孔TGV技術(shù)作為中介層時是一種更便宜可靠的2.5D/3D方案。玻璃基板具有卓越的電氣、機械和可靠性性能優(yōu)于 Si 中介層可以在一個封裝中連接更多晶體管，從而實現(xiàn)比目前使用的有機基板更大的可擴展性和開發(fā)更大的芯片系統(tǒng)級封裝。
· CPO能夠集成玻璃波導(dǎo)和玻璃通孔 （TGV），從而實現(xiàn)更高的互連密度并改進功率傳輸和信號路由。? ?
· 相比之下玻璃基作為芯片封裝載板具備更優(yōu)的散熱性，其在大功率器件封裝和高算力數(shù)據(jù)中心服務(wù)器等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用空間。
CPO共封裝光學(xué)成為一匹黑馬半道殺出，CPO器件中的光纖管理挑戰(zhàn)，推動了帶有波導(dǎo)扇出的玻璃基板封裝基板和用于前面板布線的嵌入式 PCB 波導(dǎo)的發(fā)展。在光互連方面，玻璃基板和聚合物波導(dǎo)、擴展光束光學(xué)以及先進的對準(zhǔn)和連接技術(shù)等方面的創(chuàng)新正在為高密度、低損耗和高成本效益的解決方案鋪平道路，有利于構(gòu)建下一代人工智能基礎(chǔ)設(shè)施。
2013年，佐治亞理工學(xué)院封裝研究中心實現(xiàn)了玻璃基板上的光電共封裝。該系統(tǒng)采用150μm厚的玻璃載板，PIC、Driver、TIA元件倒裝在玻璃載板上，光通過載板上的有機透鏡射入載板背面的波導(dǎo)，再與光纖連接，通過在玻璃基板上開金屬通孔產(chǎn)生電信號。
Ayar Labs作為是未來半導(dǎo)體的領(lǐng)導(dǎo)者之一，專注人工智能速度移動數(shù)據(jù)的光互連I/O解決方案。2024年Ayar Labs推出業(yè)界首款符合CW-WDM MSA標(biāo)準(zhǔn)的16波長光源，可驅(qū)動256個光載波，實現(xiàn)16 Tbps的雙向帶寬，這是人工智能工作負(fù)載所必需的帶寬水平。
Ayar Labs這種下一代人工智能方案來自與康寧公司的合作。他們通過將Ayar Labs的TeraPHY光學(xué)I/O小芯片與康寧的玻璃基波導(dǎo)模塊相結(jié)合?？祵幍腉lass Interposer封裝方案中是玻璃通孔技術(shù)，在玻璃基板上刻蝕出孔洞，?然后填充銅，?用于高速信號與電源信號的傳輸。在2024年超算大會上展示了由SuperNova?光源驅(qū)動的4 Tbps光學(xué)I/O解決方案，實現(xiàn)了極低延遲的超高效數(shù)據(jù)傳輸，且無需前向糾錯。他們聯(lián)合推出基于玻璃基板的光電異質(zhì)集成3D封裝技術(shù)，利用玻璃基板可直接刻蝕光波導(dǎo)的特性，降低芯片出光難度，提高生產(chǎn)效率和良率，有力推進了光I/O商業(yè)化進程。
另外愛立信正在與Ayar Labs和康寧合作開發(fā)這種人工智能驅(qū)動的解決方案，作為他們未來移動系統(tǒng)技術(shù)探索的一部分。與愛立信共同開發(fā)融入Intel光電基板的光學(xué)和電學(xué)實現(xiàn)技術(shù)路徑的人工智能驅(qū)動解決方案，為人工智能基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域提供了更強大的技術(shù)支持。
目前，Ayar Labs已獲得由 Boardman Bay Capital Management 牽頭的 1.3 億美元額外融資，加上Advent Global Opportunities 和 Light Street Capital 領(lǐng)投的 1.55 億美元融資，以推動其光學(xué) I/O 解決方案的商業(yè)化。到2024年底，該公司的總?cè)谫Y額達到 3.7 億美元，并將公司估值提高至 10 億美元以上。參與融資的知名公司就涵括了當(dāng)前最炙手可熱的芯片三大巨頭AMD Ventures、Intel Capital 和 NVIDIA ，其他新戰(zhàn)略和金融投資者包括 3M Ventures 和 Autopilot。
以色列小型初創(chuàng)公司Teramount在硅光子學(xué)模塊光纖耦合展開研究。2023年的方案中以晶圓級倒裝芯片的方式安裝在硅光子芯片上，主要組件是一個由光學(xué)元件組成的硅芯片，它使用自對準(zhǔn)光學(xué)元件操縱光束，并通過玻璃基片將其聚焦到硅光子芯片上。硅光子模具有64個光子凸塊和450個電子凸塊。包括扇出玻璃中介層，光子插頭，玻璃插入器和碰撞的SiPh模具。針對 CPO 和可插拔硅光子學(xué)用例量身定制。
2023 年，康寧試驗了含有光波導(dǎo)的玻璃基板，以實現(xiàn)光電共封裝。玻璃基板的核心組件包括玻璃通孔 (TGV) 、SiN 波導(dǎo)、用于將 PIC 耦合到 SiO 2波導(dǎo)的絕熱耦合器和光纖連接器，玻璃基板頂部集成了 RDL 層，以在芯片之間建立高速電通道。TGV 連接器用于電源傳輸和接地。TGV 和 RDL 可在組裝的 IC 和印刷電路板之間實現(xiàn)電子扇出。在同一基板上對所有高分辨率線路進行薄膜處理，簡化了制造和組裝，與有機基板上的 2.5D 硅夾層或嵌入式多模互連橋接配置相比，有可能降低總體封裝成本。此外，在玻璃頂面下方集成平面離子交換（IOX）光波導(dǎo)的玻璃基板提供了一個戰(zhàn)略性定位的光學(xué)接口，允許組裝的 PIC 直接瞬時耦合以實現(xiàn)更低的損耗。
全球大部分硅光器件上采納康寧玻璃基板技術(shù)。不僅有支持垂直高密度互聯(lián)的TGV基板，還有支持硅光芯片量產(chǎn)的光學(xué)接口。要是通過他們獨有的玻璃技術(shù)，將光互連和電互連集成在玻璃中，通過離子交換（IOX）波導(dǎo)和薄膜金屬化實現(xiàn)，支持硅光子倒裝芯片直接組裝到玻璃基板，實現(xiàn)低成本組裝和低損耗光纖連接，支撐CPO及Chiplet CPO，目標(biāo)直接瞄準(zhǔn)102.4T的交換機。
在2024年玻璃基板CPO 102.4T 方案中，康寧帶玻璃通孔TGV的玻璃基板熱穩(wěn)定性好，機械應(yīng)力小，表面平整度高可以加工出精細的金屬導(dǎo)線RDL和micro bump。目前可以實現(xiàn)10/10um 的銅線/間距，此時對應(yīng)的最大Cavity深度可以到140um，支持多層RDL。假如RDL層數(shù)比較少，Cavity深度不用那么大的話(＜50um)，可以實現(xiàn)5um的Cu線寬間距。TGV的開窗寬度100um，最窄的地方為45um，pitch可以做到150um。
在不久以后，康寧會將采用玻璃做光電基板，采用玻璃基波導(dǎo)來代替硅實現(xiàn)射頻信號互聯(lián)和垂直TGV通孔以降低光學(xué)互聯(lián)損耗。這不僅寫入了康寧的項目報告，也融入了Intel的光電基板的光學(xué)和電學(xué)的實現(xiàn)技術(shù)路徑。
Fraunhofer IZM研究組認(rèn)為基于玻璃基板的光子集成系統(tǒng)是解決帶寬增大、通道數(shù)變多的核心技術(shù)。在Fraunhofer IZM的混合光子集成中，以具有電氣饋通的金屬化玻璃中介為基礎(chǔ)3D集成有源電子和光子元件，采用玻璃真空封裝/密封，滿足（硅）光子封裝對更高數(shù)據(jù)傳輸速率的要求。
為推動玻璃芯基板技術(shù)發(fā)展，IZM正在組建玻璃面板技術(shù)小組，會聯(lián)合眾多合作公司貫穿整個玻璃芯基板工藝流程鏈，將相關(guān)技術(shù)應(yīng)用到集成面板再分布層（RDL）生產(chǎn)線，可實現(xiàn)大面板尺寸加工(510×515mm)、進行設(shè)計可靠性分析，并與成員透明合作，成員涵蓋材料、工藝、過程控制以及客戶等各方面角色。
三星先進封裝團隊預(yù)知HBM 進一步發(fā)展可能會遇到的瓶頸以及解決方案。目前三星表示，采用硅光子技術(shù)實現(xiàn) HBM 內(nèi)存與邏輯部分的互連，可實現(xiàn)更快的速率和更好的能效。三星預(yù)設(shè)了兩種互連架構(gòu)，一種類似現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，但使用光子中介層實現(xiàn)互連；另一種直接將邏輯部分和 HBM 分離，用硅光子通信連接兩部分。從三星目前積極部署玻璃基板技術(shù)預(yù)測，以上方案中不排除將TGV作為中介層的戰(zhàn)術(shù)部署。三星計劃在2027年推出一體化、CPO集成的AI解決方案，旨在為客戶提供一站式AI解決方案。三星還投資硅光子學(xué)公司 Celestial AI ，目前完成了1.75 億美元 C 輪融資。
大摩預(yù)測ASIC（定制化AI芯片）將在未來幾年內(nèi)超過 GPU 的增長速度，并有可能在四到五年內(nèi)占據(jù)云 AI 半導(dǎo)體市場 30% 的份額。ASIC 專為特定 AI 任務(wù)設(shè)計，可以針對特定算法和模型進行優(yōu)化，從而獲得比通用 GPU 更高的性能。有機基板在ASIC封裝中的應(yīng)用面臨諸多挑戰(zhàn)，而玻璃基板的出現(xiàn)給行業(yè)帶來了新的希望。
麻省理工學(xué)院將光學(xué)引擎與交換機專用集成電路（ASIC）集成在同一封裝上的CPO器件代表了行業(yè)的重大轉(zhuǎn)變。在其CPO方案中玻璃基板波導(dǎo)為集成光學(xué)器件提供了一種前景廣闊的解決方案，在尺寸穩(wěn)定的基底上實現(xiàn)低損耗的光學(xué)和電氣互連。玻璃封裝基板上的 PIC 倒裝芯片示例，封裝表面的離子交換玻璃波導(dǎo)與蒸發(fā)光耦合互連，封裝與印刷電路板之間通過玻璃通孔 （TGV） 電氣互連。
如今，臺積電已經(jīng)成立玻璃基板技術(shù)團隊，也在積極布局硅光子領(lǐng)域，或?qū)崿F(xiàn)硅與光電的跨界整合。面對傳統(tǒng)電信號互聯(lián)在干擾、速率、能耗等方面的缺點逐漸顯現(xiàn)，臺積電表示，其正開發(fā)的三維立體光子堆疊技術(shù) COUPE（緊湊型通用光學(xué)引擎），采用了 SoIC-X 芯片堆疊先進封裝，將電路控制芯片疊放在硅光子芯片頂部，整合為單芯片光學(xué)引擎。未來目標(biāo)或可能通過使用TGV技術(shù)實現(xiàn)光信號互聯(lián)，更能滿足 HPC 和 AI 應(yīng)用對大帶寬無縫互聯(lián)的需求。臺積電計劃在2025 年完成將COUPE 技術(shù)用于小尺寸可插拔設(shè)備的技術(shù)驗證，并于2026 年推出基于CoWoS 封裝技術(shù)整合的共封裝光學(xué)（CPO）模塊，玻璃技術(shù)將是他們嘗試的備選方案。
2024年12月臺積電完成CPO與半導(dǎo)體先進封裝技術(shù)整合，其與博通共同開發(fā)合作的CPO關(guān)鍵技術(shù)微環(huán)形光調(diào)節(jié)器（MRM）已經(jīng)成功在3nm制程試產(chǎn)，代表后續(xù)CPO將有機會與高性能計算（HPC）或ASIC等AI芯片整合。
業(yè)界分析，臺積電目前在硅光方面的技術(shù)構(gòu)想主要是將CPO模組與CoWoS或SoIC等先進封裝技術(shù)整合，讓傳輸信號不再受傳統(tǒng)銅線路的速度限制，估臺積電明年將進入送樣程序，1.6T產(chǎn)品最快2025下半年進入量產(chǎn)，2026年全面放量出貨。
英特爾已驗證通過玻璃基板設(shè)計增強光學(xué)傳輸信號的CPO技術(shù)，提供最高性能和最可靠的光學(xué)連接解決方案。在OFC2024光纖通信大會上，英特爾的集成光子解決方案部門展示了業(yè)界最先進和首款完全集成的光學(xué)計算互連(OCI)和玻璃基板的小芯片。OCI小芯片利用了英特爾的硅光子技術(shù)，硅光子集成包括玻璃基板、片上激光器和光放大器以及電子IC。也可以與下一代CPU、GPU、IPUs和其他片上系統(tǒng)(SOC)集成封裝并運行實時數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)方面，OCI的小芯片旨在支持64個通道的32G數(shù)據(jù)傳輸，可支持高達每秒4Tbps的雙向數(shù)據(jù)傳輸，傳輸距離可達100米，重要的是，該技術(shù)與PCIe5.0兼容。而支持新興800G和1.6T應(yīng)用的下一代200G通道pic正在開發(fā)中。
至于如何青睞玻璃基板，英特爾稱贊玻璃基板的耐高溫、平整度、機械穩(wěn)定性以及超高的互聯(lián)密度。同時，英特爾也在解決玻璃通孔最棘手的問題，如其脆弱的熱應(yīng)力表現(xiàn)，玻璃是剛性體，很容易受力產(chǎn)生裂紋。Intel采用新的處理方式，一是增大玻璃的熱膨脹系數(shù)，通過鹽分摻雜可提高膨脹系數(shù)，二是增加射頻柔性緩沖層，吸收應(yīng)力，再一個就是取消工型布局，換做I型孔，避免降溫過程銅的收縮壓力過大。
Intel除了向世人發(fā)布下一代芯片的封裝基板技術(shù)，將采用玻璃基板提高射頻帶寬外，還公開其專利技術(shù)即硅光芯片采用玻璃TGV基板、EMIB技術(shù)、玻璃光接口，實現(xiàn)玻璃體的光接口、電互聯(lián)和電互聯(lián)的集成作為下一代硅光芯片封裝工藝。除了玻璃基板本身，英特爾引入FoverosDirect混合鍵合，為CPO通過玻璃基板設(shè)計利用光學(xué)傳輸?shù)姆绞皆黾有盘?。由于這些設(shè)計的靈活特性能夠無縫集成光學(xué)互連，可實現(xiàn)超大尺寸封裝和小芯片集成，并具有非常高的組裝良率，強大的高容量平臺出貨量超過800萬張。
2022 年，IBM Research 和 Coherent 聯(lián)手開展 MOTION 項目 ，該項目專注于創(chuàng)建在單個芯片上集成多個波長的緊湊型光學(xué)模塊。該模塊采用尺寸為 1.64 mm × 4.64 mm 的芯片。它沒有在電子芯片內(nèi)集成重定時功能，因此可以有效地服務(wù)于低延遲應(yīng)用場景。電子芯片、VCSEL 和電力輸送 (PD) 芯片采用倒裝技術(shù)固定在玻璃基板上。。在最大速度下，MOTION 收發(fā)器的功耗為 4 pJ/bit，考慮到兩端的電連接器。這比 800 G OSFP (FR4) 模塊低得多，準(zhǔn)確地說是其五倍。使得整個系統(tǒng)的可靠性提升了1000倍，帶寬達到800Gbps（16x50Gbps）。IBM的VCSEL CPO各方面的性能優(yōu)于HP、Fujitsu和Furukawa競爭對手。
Ephos 正在全力開發(fā)玻璃光子芯片，他們在9月獲得一輪 850 萬美元的種子融資。Ephos 正從傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體制造轉(zhuǎn)向玻璃基板來構(gòu)建光子集成電路，在意大利米蘭啟動了一個大型研究和制造工廠，這是全球首個玻璃基量子光子芯片設(shè)計和生產(chǎn)工廠。Ephos 在米蘭新開設(shè)的 53,000 平方英尺工廠將作為該公司的中央制造和研發(fā)中心。
2024年4月欣興科技股份有限公司發(fā)明公開了一種封裝結(jié)構(gòu)，包括電路板、共封裝光學(xué)元件(CPO)基板、專用集成電路(ASIC)組件、玻璃中介層、電子集成電路(EIC)組件、光子集成電路(PIC)組件和光纖組件。CPO基板配置在電路板上，ASIC組件配置在CPO基板上。玻璃中介層配置在CPO基板上，包括上表面、下表面、腔體和至少一個玻璃通孔(TGV)。EIC組件配置在玻璃中介層的上表面上，與玻璃中介層電連接。PIC組件配置在玻璃中介層的腔體中，與玻璃中介層電連接。光纖組件配置在玻璃中介層的下表面上，與PIC組件光連接。
2024年11月，深圳大學(xué)發(fā)表了用于 2.5DCpo 的高速晶圓級 Tgv 中介層。8英寸晶圓級 TGV 中介層的開發(fā)，重點介紹了其在 CPO 應(yīng)用中的潛力。TGV 中介層采用激光誘導(dǎo)深蝕刻 (LIDE) 和金屬化工藝制造，帶寬為 110 GHz，支持 128 Gbaud 開關(guān)鍵控 (OOK) 信號互連，并通過模擬和實驗方法進行了驗證。該研究強調(diào)了 2.5D 封裝的可行性，即利用倒裝芯片技術(shù)將驅(qū)動器和電吸收調(diào)制激光器 (EML) 芯片集成到 TGV 中介層上。光電聯(lián)合測試證實了 EML 的運行可行性，實現(xiàn)了 -0.07 dBm 的光輸出功率。這項研究展示了高性能光通信系統(tǒng) TGV 中介層技術(shù)的進步。
2024年11月，云天半導(dǎo)體多年來深耕玻璃基封裝技術(shù)的工藝研發(fā)，在24年H1季度，云天的光電共封裝已實現(xiàn)研發(fā)技術(shù)上的突破。該項目與上海交通大學(xué)、深圳大學(xué)等機構(gòu)通力合作，成功將玻璃晶圓級光電轉(zhuǎn)接板和光電器件進行集成。此款先進的TGV轉(zhuǎn)接板采用EIC/PIC 2.5D CPO技術(shù)封裝方案厚度為230微米，表面平整度小于1.2微米，深寬比為4:1，支持5層RDL結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)還采用60微米深的挖槽設(shè)計，能夠精確對準(zhǔn)光纖陣列，并支持電芯片的倒裝焊封裝以及EML、SOA、硅光和鈮酸鋰等光芯片的植球封裝，實驗證明，通孔和RDL布線的帶寬均超過110 GHz，以此為基礎(chǔ)，云天同步進行設(shè)計及開發(fā)關(guān)于CPO的另外一種封裝方案，以EIC+PIC堆疊與玻璃轉(zhuǎn)接板的上下面的形式，進一步達成小型化，高集成度的三維集成方案， 為未來的高速光電器件封裝提供更加豐富可靠的解決方案。
