3D光子整合技術突破晶片資料連結瓶頸

AI時代下的通訊瓶頸

隨著人工智慧（AI）運算需求飆升，晶片間資料傳輸速率與能效成為系統效能的關鍵瓶頸。儘管運算能力大幅提升，傳統電連結受限於距離與能耗，嚴重拖慢整體處理效率。本文提出以3D光子整合技術打造全新晶片間光連結架構，達成前所未有的低能耗與高頻寬密度。

技術核心：電子與光子晶片垂直整合

研究團隊設計出一套3D光子整合晶片系統，將28nm CMOS電子晶片與矽基光子晶片堆疊結合。透過Cu-Sn微凸塊鍵合技術，在15μm間距下實現2,304條高速連結，成功達成高密度、高頻寬整合。

光子晶片整合微環共振調變器與Ge光偵測器，與下層電子控制電路無縫結合，完成完整的電-光-電轉換路徑。

子系統設計與能耗特性

系統包含80組發射器與接收器，分布於20條光波導匯流排，每條支援4波長通道。關鍵元件如下：

• 微環共振調變器：實現50 fJ/bit超低功耗光訊號調變

• 接收器設計：以微環濾波與Ge光偵測器搭配前級放大器，僅耗70 fJ/bit即能準確還原電訊號，資料率達10 Gbps

  
  

整體效能表現

實驗驗證顯示該3D光子晶片系統達成以下指標：

• 總能耗：僅120 fJ/bit

• 頻寬密度：高達5.3 Tbps/mm²

• 總頻寬：800 Gbps

• 封裝面積：僅0.32 mm²

• 誤碼率（BER）：< 10⁻¹²，達到無誤操作

所有元件皆使用商用CMOS製程，具備量產可行性。

應用展望與技術意義

此技術具備改變AI系統架構的潛力：

• 建立跨距離、低能耗的處理器互聯

• 擴展分散式AI與記憶體架構彈性

• 優化資料中心設計與AI工作負載處理

其高頻寬與低功耗特性也適用於高效能運算、電信與其他需高速晶片連結的領域。

結論

3D光子整合提供一條突破資料傳輸瓶頸的關鍵路徑，兼具極低能耗、高頻寬密度與製程相容性。此技術有望成為AI與未來先進運算系統擴展的關鍵基礎。

參考資料

[1]   S. Daudlin et al., "3D photonics for ultra-low energy, high bandwidth-density chip data links," arXiv:2310.01615v1 [physics.optics], Oct. 2023.