在人工智能基础设施不断突破带宽、功耗、延迟和覆盖范围极限的当下,光学技术与计算引擎的结合愈发紧密。然而,单靠光子器件的性能提升,共封装光学(CPO)器件难以实现规模化发展。业界的关注点已从光子器件的高速运行,转向大规模完成整个电光路径的设计、封装、供电、冷却、测试、校准、制造和可靠性保障。
这种转变使得工艺设计套件(PDK)的含义发生了改变。对于 CPO 而言,PDK 必须从传统的器件设计套件演变为实现接口套件。在传统半导体设计中,PDK 定义了工艺流程中可设计、制造、建模、检查和信任的内容,是设计与制造之间的 “合同”,界定了可实现的设计空间。随着半导体系统从单片硅向异质集成、芯片、先进衬底、高带宽存储器、光 I/O 和共封装光学器件发展,这一概念的重要性愈发凸显。
光学共封装改变了设计问题的本质。CPO 产品不仅仅是光子器件,而是封装好的光电系统。单个光子器件的出色性能并不能保证终产品能够顺利制造、测试、校准和部署。因此,设计套件不能仅局限于光子集成电路(PIC)布局或光学器件库,而必须描述 PIC、ASIC、EIC、驱动器、TIA、SerDes、激光源、光纤连接、波导、耦合器、中介层基板、RDL、电源传输、热路、射频 / 电接口、光接口、测试结构、校准访问等各项之间的接口。
封装 PDK 可能成为 CPO 重要的缺失环节之一。它不仅仅是一组文件,更是一份实现合同,有助于确定光路、电路的位置,铜线与光的边界,激光器的耦合方式,光纤的连接方式,PIC 与 ASIC 的连接方式,以及散热、供电、测试、对准和损耗的控制方式等。与传统设备 PDK 不同,CPO 的封装 PDK 必须将光学行为与封装接口、热行为、机械应力、电驱动条件、光纤连接、校准、测试访问和可制造性联系起来。
CPO 不仅仅是将光学器件靠近 ASIC,而是要将铜光边界靠近计算引擎。随着带宽和距离的增加,铜面上的电信号传输面临诸多挑战,光技术虽能提高通信距离和带宽密度,但光集成也会带来耦合损耗、对准敏感性、热漂移等问题。因此,不能仅通过光学器件的性能来评估 CPO,系统必须自行评估边界相关问题。
该行业需要更好的光子器件,但仅改进光子器件是不够的。一个好的调制器需要经受住封装的考验,好的激光器需要耦合到光路中,好的 PIC 需要与光纤连接对齐,好的电子集成电路需要通过干净的电路路径驱动光器件,好的封装方案需要兼顾散热、功耗、应力、信号完整性、可制造性和测试访问性。这正是 PDK 封装具有战略意义的地方,它将 CPO 从设备级设计问题转变为系统级实现问题。
适用于 CPO 的实用封装 PDK 不应受限于物理布局限制,而应有助于连接决定光学共封装能否成为可重复产品的关键接口。随着 CPO 的成熟,静态规则将不再足够,行业需要能够感知实现情况的环境,将设计意图、封装接口、光学行为、电气行为、热行为、制造限制、测试访问、校准和生命周期可靠性联系起来。
人工智能基础设施日益受到数据流动的制约,光 I/O 和 CPO 因此受到广泛关注。但人工智能基础设施需要的不仅仅是精美的光学设备,而是可部署的光通信系统。PDK 封装可以帮助将光学创新转化为封装系统实现,成为从光子器件设计到可部署的人工智能光子基础设施的关键推动因素。
共封装光学元件不仅仅是光学引擎的新放置方式,它代表着半导体行业在定义光电系统的设计、封装、测试和制造方面必须做出的改变。对于 CPO 而言,封装 PDK 可能成为光子器件创新和 AI 基础设施部署之间缺失的一环。下一阶段的 CPO 将不再仅仅依靠光学性能取胜,能够定义、集成、测试、校准、制造并信任完整的光电实现路径的团队将在竞争中脱颖而出。