随着人工智能（AI）和机器学习（ML）技术的飞速发展，数据量的爆炸性增长正对全球数据中心构成前所未有的挑战。为了应对这一挑战，数据中心正加速向更高带宽、更低延迟的光互连技术转型，以应对日益增长的算力需求。
当前，数据中心算力提升主要集中在两大方面：一是采用算力更高的计算卡，如英伟达的Atlas 300T训练卡（型号:9000）和AMD的Instinct MI 300X，这些高性能计算卡为数据中心提供了强大的算力支持，加速了深度学习训练和推理过程。二是提高大规模数据中心服务器及CPU、GPU等核心组件之间的带宽，提高整体系统的效率。例如英伟达的NVLink、AMD/英特尔/谷歌/微软等巨头共同组建的UALink标准等。
在更微观的层面，算力芯片内部的互连技术也在经历深刻变革。传统的电互连方式，依赖铜作为传输介质，但在高速数据传输中面临发热、损耗和功耗高等问题。相比之下，光互连技术以其低损耗、且过程中不产生热量等特性，成为解决数据传输瓶颈的理想选择。
在AI计算中，尤其是深度学习算法通常需要大量的并行计算，更高带宽的互连能够让芯片上信息交换效率大大提升，从而实现更高效的并行处理。此外，随着chiplet封装技术的兴起，多个模块封装在同一基板上集成为单颗SoC，更高速的片上互连技术则尤为重要，它能加快这些芯粒之间的数据传输，从而提升计算能力。
片上光互连技术ONoC（Optical Network-on-Chip）作为光子集成芯片的核心，正逐步成为数据中心算力提升的重要路径。通过将不同功能的有源器件和无源器件集成在同一块光电基板上，形成了高效的光子路由波导系统。CMOS电芯片与硅光芯片的紧密堆叠，实现了光信号与电信号之间的高效转换，从而在光电基板上实现了高能效、高带宽密度和低延迟的光互连。
OCl带宽发展路线图 来源：英特尔
在2024年光纤通信大会（OFC）上，英特尔展示了与自家CPU封装在一起的OCI芯粒，但同样具备与下一代CPU、GPU、IPU等SOC（系统级芯片）集成的潜力。
目前，除了硅光集成技术可以实现高速数据传输之外，以GCS玻璃基板技术为核心的CPO光电共封装为技术路线，通过在共同的封装基板上集成多个芯片，实现了光学引擎的集成，达到了高集成度、低功耗、低成本、高带宽的数据传输性能要求，有利于构建下一代人工智能基础设施。
英特尔已验证通过玻璃基板设计增强光学传输信号的CPO技术，提供了最高性能和最可靠的光学连接解决方案。在OFC2024光纤通信大会上，英特尔的集成光子解决方案部门展示了业界最先进和首款完全集成的光学计算互连(OCI)和玻璃基板的小芯片。OCI小芯片利用了英特尔的硅光子技术，硅光子集成包括玻璃基板、片上激光器和光放大器以及电子IC。
至于为何青睐玻璃基板，英特尔称赞玻璃基板的耐高温、平整度、机械稳定性以及超高的互联密度。同时，英特尔也在解决玻璃通孔最棘手的问题，如其脆弱的热应力表现，玻璃是刚性体，很容易受力产生裂纹。Intel采用新的处理方式，一是增大玻璃的热膨胀系数，通过盐分掺杂可提高膨胀系数，二是增加射频柔性缓冲层，吸收应力，再一个就是取消工型布局，换做I型孔，避免降温过程铜的收缩压力过大。
英特尔除了向世人发布下一代芯片的封装基板技术，将采用玻璃基板提高射频带宽外，还公开其专利技术即硅光芯片采用玻璃TGV基板、EMIB技术、玻璃光接口，实现玻璃体的光接口、电互联和电互联的集成作为下一代硅光芯片封装工艺。除了玻璃基板本身，英特尔引入FoverosDirect混合键合，为CPO通过玻璃基板设计利用光学传输的方式增加信号。由于这些设计的灵活特性能够无缝集成光学互连，可实现超大尺寸封装和小芯片集成，并具有非常高的组装良率，强大的高容量平台出货量超过800万张。
依托在光子芯片领域的深厚积累，尤其是在薄膜铌酸锂（LNOI）光子芯片和飞秒激光直写3D光子芯片技术方面的领先优势，上海交通大学无锡光子芯片研究院（CHIPX）正全力推进新一代基于玻璃基板的CPO技术研发。
基于玻璃通孔（TGV）技术的玻璃芯基板（GCS）具有高密度、大面积、低损耗、光电封装融合的优势，CHIPX研发团队结合片上有源器件（TFT）和无源器件（IPD）技术，可实现光电融合计算、传感、互连，在CPO技术中展现出巨大潜力。
CHIPX在CPO技术中突破了高密度高带宽电连接、多通道密集光耦合、光电集成封装散热设计、多层3D基板封装等核心技术难题，通过集成光模块和CMOS芯片，实现了异构集成的光电一体系统。这种创新设计不仅大幅提升了数据传输的速率和效率，还显著降低了系统的总体功耗，为AI和HPC应用提供了更为强大的计算能力和更优的能效比。未来，该技术有望在云计算、大数据分析、物联网等多个领域得到广泛应用，为全球信息技术的发展注入新的活力。
上海交通大学无锡光子芯片研究院（CHIPX）于2021年12月份在无锡市与上海交通大学深化全面合作的框架下正式成立，研究院由无锡市滨湖区人民政府、上海交通大学、蠡园经济开发区三方共同参与建设。
CHIPX率先在无锡布局国内首条光子芯片中试线，以高端光子芯片的研发为核心，聚焦新一代信息技术和产业化应用，推动量子计算机、通用光子处理器、三维光互连芯片和高精密飞秒激光直写机等变革性技术在无锡市落地转化。并围绕光子芯片中试线平台的基础设施和研发支撑，建设核心技术和产业形态聚焦的“光子芯谷”，打造以光子芯片底层技术为驱动，面向量子计算、人工智能、光通信、光互连、激光雷达、成像与显示、智能传感的新一代光子科技产业集群。
原文始发于微信公众号（上海交大无锡光子芯片研究院）：玻璃基板引领光电集成变革
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