台积电COUPE效应引发智算中心“技术地震”:博通彻底转向,MRM到底是什么关键技术?

文摘   2025-01-12 12:32   新西兰  
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最近这段时间,CPO共封装光子概念又火了起来,主要原因就是24年12月末经济日报的新闻,传台积电与博通共同开发的CPO交换机已经成功试产,具体如下图。

博通是CPO交换机的领导者,它的转向被视为具有极强的现实意义,相当于间接承认了台积电的技术先进性。那么,笔者今天主要讲讲博通过去所用的马赫-曾德尔调制器MZM方案和台积电所用的微环光调制器MRM方案的区别。
马赫-曾德尔调制器MZM
如图所示,就是马赫-曾德尔调制器,用于通过调节输入光的特性来实现光信号的调制。Pin指的是光信号输入,Pout指的是光信号输出,黑色线指的是波导,可以看到光信号先经过一个Y型波导被50%和50%均分,随后进入两条并行的波导中,上面的波导被嵌入了相移器Phase shifter用来改变光的相位,最后两条波导又合并成一条波导进行光信号输出。

具体来说,MZM 可以改变以下几个光学特性:

1. 光的强度(Intensity)


原理:通过干涉效应,MZM可以控制输出光的强度。
当两条光路的相位差为整数倍的 2π2\pi 时,干涉是完全相长的,光强最强;相位差为奇数倍的 π\pi 时,干涉是完全相消的,光强为零。
通俗来讲,MZM 可以把光的亮度调节为“亮”或者“暗”,就像开关灯一样。比如在光通信中,这种“亮”和“暗”可以用来代表 1 和 0,传输信息。
应用:实现光强调制(IM,Intensity Modulation),例如在数字通信中将信号编码为“开”或“关”,也就是01调制。

2. 光的相位(Phase)

原理:MZM的一个臂上施加电场,可以改变光的相位。通过调节输入电压控制光信号的相位偏移。

通俗来讲,光就像水波一样有波动,MZM 能够让光波“往前走一点”或者“往后退一点”。这种变化就叫改变相位,用于让光带着更多的信息。

应用:用于光学相位调制(PM,Phase Modulation),例如在相位编码通信系统中。

5. 光的幅度和相位联合调制

原理:通过控制MZM的两个臂的驱动电压,可以同时调节输出光的强度和相位,形成复合调制(如正交幅度调制QAM)。

通俗来讲,MZM 还能让光的亮度和波形同时发生变化,比如让光既“亮一点”又“波形往前走”,这样光能携带更复杂的信息,就像广播能传送音乐而不是简单的“嘀嘀声”。

应用:在现代高速光通信系统中,用于高阶调制格式(如QPSK、16-QAM等)。

讲到这里,大家应该可以明白博通原先方案用的调制器的基本原理和功能。那么接下来讲讲台积电方案用的微环调制器的基本原理和功能。

微环调制器MRM

如图所示,单总线微环谐振器是由一个光波导环(微环)和一条直线光波导(称为总线)组成。为了简单起见,笔者只讲了单总线微环谐振器,实际应用中会有各种微环和波导的组合,但是这里只是为了讲解微环的基本工作原理,懂了基本原理就可以自由组合了。
其基本的工作原理是光的共振效应。进入微环的光波在环内循环传播。如果光的波长满足共振条件,即光波的路径长度是其波长的整数倍,光波会在环中不断叠加(共振),并通过干涉形成一个特定的频率响应。

共振条件公式如下。

其中,m指的是共振模式的整数阶数,λ指的是共振波长,R指的是微环半径,n指的是波导的有效折射率。通过外加电信号改变 nnn(折射率),可以调整共振波长 \lambda,从而实现对光的调制。

具体如何改变这个折射率 n 有电光效应、热光效应、载流子注入效应,本质都是施加电信号。


简单来讲,MRM也可以实现强度调制、相位调制以及联合调制(需要微环更复杂的组合形式)。


马赫-曾德尔调制器MZM VS 微环调制器MRM


上面将基本原理的时候大家应该可以看到,MZM对波长没有选择性,任何波长的光都可以通过,那么这里就需要前置解复用器DEMUX将不同波长的光解复用到不同的MZM中进行调制。而MRM天然对波长具有选择性,只针对特定波长的光进行调制,那么也就实际上也可以充当复用MUX/解复用器DEMUX的角色,可以节省CPO的尺寸。


其次,对于MZM和MRR本身尺寸来说,MZM与MRR的面积相差N个数量级,以参考文献[1]为例,相差接近40000倍。当然在实际制作过程中要考虑到可用性等工程性问题,这里打个大折扣到100倍。


然后,MRM的功耗通常在几十至几百微瓦(μW)范围内,尤其是在使用载流子效应进行调制时。而MZM的功耗可能在数毫瓦(mW)到数百毫瓦范围,根据具体设计和应用不同而有所变化。当然,这里也只是单纯只从器件本身出发进行比较,如果加上温度控制等因素,这个功耗差距会减少,但MRM也存在明显优势。


那么,单纯从器件本身来讲,MRM就已经具备了一定的优势。但是MRM也有调制深度等方面的问题,这里就不赘述。


其余的方面,比如光纤的扇出,台积电的光栅耦合技术通过精确控制光波的衍射,可以实现多路光信号的有效扇出。这种技术使得单一光源可以被分配(扇出)到多根光纤接口中,这些光纤接口可以设计为可拆卸形式,使得维护和升级变得更加简便。与博通的老方案比较也没有任何劣势。


既然作为CPO交换机一把手的博通转了向,Marvell还远吗?其他的交换机厂呢?


CPO的出现,在现实意义上讲,对可插拔光模块和LPO的打击可能没有那么大,共存一定是常态。但是在投资意义上讲,被替代的达摩克利斯之剑高悬于顶,时不时的消息一定对可插拔和LPO造成极大的预期利空。最后,我们来从功耗上对CPO、可插拔光模块以及LPO进行比较,如下图。CPO功耗为241+118=359 W,LPO为630 W,可插拔为1024 W,几乎每一代都是50%的提升。那么到了片上光互连ONoC时代呢?

在电子设备中,大部分功耗最终会转化为热能。这是因为电流通过电子设备的电阻性部件(如电路、晶体管等)时会产生热量。那么,简单的也可以将功耗和热量划个等号。功耗的降低必然伴随着散热的下降,那么对于液冷等散热方向意味着什么呢?


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[1] Integrated lithium niobate electro-optic modulators operating at CMOS-compatible voltages


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