imec报告：为AI时代扩展光互连——光进硅内，从可插拔光学到3D集成光学

摘要：前所未有的带宽需求，要求通过根本性重思光互连路线图，将光学进一步拉近硅。云计算与AI的爆发式增长——从生成式、推理式，最终到代理式（agentic）系统——正在创造前所未有的带宽需求，数据中心内部及数据中心之间需要移动的数据量持续激增。这反过来暴露了底层互连日益增长的局限：这些互连不仅横跨数据中心织物与机架层级，还深入服务器内部，直至在封装和裸片层级连接XPU、内存及其他系统组件的位置。

基于铜的（电）互连长期以来是行业的"主力"，得益于其低成本、简单和可靠。然而今天，它们正日益触及根本极限：虽然可以实现高能效的电链路，但通常被限制在非常短的距离（毫米量级）。在更长距离和更高单通道速率下，功耗急剧上升，热约束加剧，信号完整性退化。换言之，电I/O正迅速成为扩展下一代AI与机器学习系统的关键障碍。

光互连已成为一条关键的前进路径。通过用光而非电信号传输数据，它们对距离远不敏感，能实现更好的能效，同时缓解铜链路固有的许多串扰和热挑战。然而，即便是光学技术如今也被推向新的极限——对（多）太比特每秒接口、超高能效和极低（亚微秒）延迟的需求正在出现。

满足这些要求需要的不是渐进式创新。它要求对光互连路线图进行根本性重思：一条逐步将光学拉近硅的路径——从前面板，进入封装，最终稳固地集成到晶圆堆叠之中。

可插拔光学（PO）：长期存在且依然活跃的主力

二十多年来，可插拔光收发模块一直是高速电信与数据通信网络的骨干——支撑着从企业工作负载、视频流到当今超大规模云基础设施的一切。可插拔模块插入交换机、路由器和服务器上的标准化端口，将来自主机的电信号转换为光信号以通过光纤传输，并在接收侧再转换回来。

它们提供：

• 模块化与灵活性——光学部分可独立于（电）主机升级。

• 可维护性——可插拔模块支持热插拔，意味着无需系统停机即可更换。

• 多厂商互操作性——通过IEEE 802.3标准，以及QSFP、QSFP-DD和OSFP等被广泛采用的多源协议（MSA）外形规格实现。

• 热稳定性——光引擎位于前面板笼内，与功率密集的ASIC在物理上分离；这有助于保护激光器、调制器和光电探测器免受过热影响（提升可靠性）。

在历代演进中，可插拔光收发模块通过提升波特率（单条光通道每秒传输的符号数）、采用高阶调制（如PAM-4）以及增加并行通道数，已从100/200G扩展到400G和800G。

尽管已相当成熟，可插拔光学仍在持续演进。例如，第一代1.6T可插拔收发模块——依赖每通道200Gbps数据速率，组合为八通道并行架构——正接近送样和早期部署，目标包括数据中心内直接连接（DR）链路以及单模光纤上的前向连接（FR）。

关键使能技术是硅光子（SiPho），它通过（硅基）光学与电子构建模块的组合支撑这一扩展，其中包括在实现高性价比的每通道200Gbps运行同时控制功耗方面发挥核心作用的马赫-曾德尔调制器。

进一步展望，在本十年末，行业正瞄准3.2T可插拔光学里程碑。然而，实现这些性能水平将需要高速电子、封装和热管理的持续进步，以及硅光子工具箱的大幅扩展。例如在发射侧，光调制器需要支持超过100GHz的带宽，同时保持低插入损耗和高调制效率——这些要求正变得越来越难以仅靠传统硅器件满足。

图1：可插拔光学在过去几年中实现了性能的数量级跃升——无论带宽密度还是能效。来源：imec。

解决这些限制，正推动对更高性能电光材料——如铌酸锂（LiNbO₃） 和钽酸锂（LiTaO₃）——异质集成的兴趣。微转印（micro-transfer printing） 等技术为将这些材料集成到硅光子平台提供了有前景的路径。早期结果令人鼓舞，但进一步研究仍在进行，以将这些方法扩展到高量产制造——从而让未来的3.2T模块能够以同样的实用性、可靠性和成本纪律构建，这正是可插拔光学最初成为行业主力的原因。

与此同时，替代性的扩展路径也在探索中。极端可插拔光学（XPO） 等概念通过进一步提升带宽密度，目标容量高达12.8T，但代价是显著更高的系统复杂性和对液冷的需求——至少目前如此——这同时影响成本和实际部署。

双重世界首创：通过微转印将LiNbO₃和LiTaO₃集成到硅光平台

随着光互连（需要）突破当今每通道200Gbps的标准，GeSi基器件在提供所需带宽与能效组合方面日益吃力。虽然GeSi调制器已在C波段展示了扩展到每通道400Gbps，但在O波段尚未实现这样的性能。因此，为解锁可插拔光互连的下一次性能跃升，研究人员正在研究将先进电光材料——如铌酸锂（LiNbO₃）和钽酸锂（LiTaO₃）——异质集成到硅光平台上，为新型高速调制器和光电探测器铺平道路。

一个有前景的使能技术是微转印，它能够将薄膜材料精确放置到硅光晶圆上，而无需传统晶圆键合通常伴随的材料浪费、键合后复杂性和成本。两项世界首创成果凸显了其潜力：

第一，imec与根特大学的研究人员展示了O波段320Gbps无放大光链路，传输距离为2公里单模光纤。该成果使用高带宽100GHz锗光电二极管，结合转印的薄膜铌酸锂马赫-曾德尔调制器（MZM），集成到硅光平台上，并与定制设计的行波驱动器和跨阻放大器（TIA）共封装。这项工作标志着首次使用微转印将LiNbO₃调制器无缝集成到硅光平台。

图2：首次使用微转印将LiNbO₃调制器无缝集成到硅光平台。来源：imec。

团队还实现了首个在硅光子集成电路上异质集成LiTaO₃调制器。使用此前应用于铌酸锂的同一微转印技术，研究人员实现了与整个晶圆堆叠的完全兼容，从而能够与加热器、滤波器和锗光电探测器等其他光子构建模块共集成，而不损害其性能。

虽然这些调制器尺寸仍相对较大，但它们为可插拔收发模块的进一步扩展提供了一条可行路径——该场景对占位面积的约束不那么严格。与此同时，为满足未来共封装光学更严格的尺寸和集成要求，其他器件概念也在探索中，包括在C波段工作的紧凑型超高速GeSi基调制器，以及基于将III-V族材料集成到硅光平台的新兴方法。

将这些异质集成方法扩展到高量产制造仍需进一步工作。尽管如此，这些结果凸显了一条有前景的路径——在硅光平台上集成>100GHz电光器件，这一能力被广泛视为未来3.2T可插拔模块和支持AI驱动基础设施的下一代光互连所必需。

"快而窄"共封装光学（CPO）：光互连路线图的关键支柱

然而，可插拔光学并非所有挑战的答案。（生成式）AI工作负载的快速崛起，正推动光（互）连深入计算服务器和加速器集群——一直下探到芯片到芯片层级。

在这一尺度上，一系列新的约束出现了。可插拔光收发模块依赖非常高的波特率，并结合复杂的数字信号处理（DSP） 来补偿信号退化。这在机架或数据中心层级运作良好，但与重度DSP相关的功耗和延迟，对于AI和机器学习系统中短距、芯片到芯片光互连而言越来越成问题。相反，它们需要本征干净的光通道，具有极低的误码率，使每条通道无需过度均衡或DSP开销即可运行。

这一转变正是推动"快而窄"共封装光学（CPO） 采用的原因。在CPO系统中，光学组件被放置在（交换）硅或计算裸片的物理近邻，将电路径从数厘米（可插拔模块中）缩短至仅几毫米——甚至更短。通过将电光转换点直接移到ASIC旁边（同一封装内），CPO大幅改善信号完整性、最小化电损耗并降低延迟——而无需依赖高功耗DSP。这使CPO成为扩展下一代AI和高性能计算系统的有说服力架构。

图3：共封装光学缩短了光引擎与主机IC之间的电路径，实现更高带宽密度并消除对数字信号处理的需求，从而提升能效。来源：imec。

但随着早期CPO部署开始出现，集成复杂性仍是该技术的决定性挑战之一。与可插拔光学（光模块基本自包含）不同，CPO需要紧密的协同设计与协同优化，包括光子集成电路（PIC）、电子IC（EIC）、交换ASIC、光纤耦合策略、热管理和先进封装。应对这一多学科挑战是imec光互连项目的核心目标。

在CPO领域（也称为OIO2.5D），imec的关键研究目标包括：

• 将光引擎容量从1.6T和3.2T扩展至6.4T，最终达到12.8T

• 实现"快而窄"的400Gbps单通道速率，带宽密度接近1Tbps/mm

• 实现高达5 pJ/bit的能效，未来技术世代趋向3 pJ/bit

• 将完整光学栈——调制器、光电探测器、耦合器、光纤连接和热解决方案——集成到可制造的封装中

实现这些目标在很大程度上依赖支持光子与电子组件密集集成的先进半导体封装技术——如2.5D中介层架构、硅通孔（TSV）、扇出晶圆级封装（FO-WLP），以及（日益重要的）由混合键合实现的3D集成——还有先进（III-V）材料的使用。

此外还有光源问题。虽然长期目标是直接在光子芯片上集成激光器，但早期CPO系统仍将依赖外部安装的激光源。这种方法简化了热管理，并缓解了在高温ASIC附近运行激光器长期存在的可靠性担忧。代价是：需要更高输出功率以补偿光损耗、更大的封装复杂性，以及需要额外的光纤和连接器将光引入封装。

实现首个基于硅基EAM的净400Gbps单通道传输

2025年10月，imec宣布了下一代光互连的一项重大进展：一款超过110GHz的C波段GeSi电吸收调制器（EAM），实现每通道400Gbps净数据速率。

该器件利用弗朗兹-凯尔迪什效应（Franz-Keldysh effect），兼具紧凑尺寸、高速度和低功耗。得益于其GeSi基础，它可无缝集成到300mm CMOS兼容硅光平台上，为高量产制造提供清晰路径。

这一突破反映了十多年来器件与系统层级的协同进展。在器件侧，imec优化了占位面积、掺杂方案和外延生长工艺。在系统侧，稳健的PAM-4 IM/DD传输装置验证了持续的单通道400Gbps净运行，展示了GeSi EAM技术对未来高通道速率光引擎的实际准备度。

3D集成光学（OIO3D）：下一个前沿

随着AI和机器学习系统扩展到数千个紧密互连的加速器，每个加速器都以仅几毫米的距离连接高带宽内存堆叠和对等处理器，对光互连的要求变得更加极端。在未来十年，预计它们需要支持接近（并超过）10Tbps/mm的带宽密度、远低于1pJ/bit的能效，以及超低延迟（<100ns）。这些目标超出了即便先进CPO架构所能达到的范围。

为满足这些要求，光学必须超越封装，进入晶圆堆叠本身。这是3D集成光学的基础。通过将电路径压缩到微米级距离，OIO3D可实现超短、高带宽、高能效的光链路，使密集的芯片到芯片光织物成为可能。

图4：通过将电路径压缩至微米级距离，OIO3D实现超短、高带宽、高能效的光链路，使密集的芯片到芯片光织物成为可能。来源：imec。

实现3D集成光学需要克服若干重大技术挑战。包括可扩展的激光器集成、高效高带宽电光组件的开发（如基于GeSi、铌酸锂、钽酸锂、磷化铟或钛酸钡），以及密集堆叠环境中的稳健热管理。同样关键的是晶圆级的超精密键合与对准技术。

OIO2.5D与OIO3D对比

作为CPO之上的演进步骤，OIO2.5D通过将光子裸片和电子裸片并排放置在共享硅中介层上，将高密度光子集成与可控的封装复杂性结合起来。光子层使用裸片对晶圆铜基混合键合集成，该技术可实现超短、低寄生的电路径。

该架构初期目标为8–32Tbps范围的光引擎。它利用32–64 Gbps单通道速率，针对低功耗、无DSP运行进行优化，以最小化延迟和热量。波分复用（每根光纤8–32个波长） 进一步提升聚合带宽，而不增加光纤数量。技术路线图目标为2Tbps/mm的带宽密度和接近2 pJ/bit的能效。

OIO3D代表了光互连最先进、最雄心勃勃的愿景。在这里，光子层直接堆叠在计算硅的上方或下方，形成真正的芯片级光织物，将电路径压缩至微米级距离。

该方法同时依赖裸片对晶圆和晶圆对晶圆的混合键合，实现极细节距的垂直互连。凭借这种垂直集成水平，OIO3D目标将带宽能力扩展至数十太比特每秒（及以上），同时目标能效约为2 pJ/bit——长期轨迹趋向亚pJ/bit运行。

一个关键研究方向是晶圆上激光器集成，使用异质III-V族方法，如量子点GaAs-on-Si。这正在欧盟《芯片法案》面向未来大规模光子系统的中试线中积极探索。

在300mm硅光平台上集成钛酸钡

2026年1月，Veeco Instruments公司与imec宣布了一项300mm高量产兼容工艺，用于在硅光上集成钛酸钡（BaTiO₃，BTO）。

凭借卓越的电光特性，BTO可为从光收发模块到量子光子学、激光雷达和AR/VR的应用实现高速、低功耗调制器。然而从历史上看，由于成本、均匀性和可制造性约束，将BTO大规模引入硅一直很困难。

借助与imec的合作，Veeco近期交付了其首台专为300mm晶圆定制的分子束外延（MBE） 簇系统。该平台支持在硅上生长单晶BTO薄膜——使用固态和混合MBE——相比传统MBE方案提升了可重复性、材料质量和拥有成本。

时间线展望

纵观光互连的演进，可以清楚地看到不同方法沿着不同的时间线推进。

可插拔光学已在全球范围部署，正进入一个以渐进式技术优化而非根本性突破为主导的阶段。其路线图仍在继续——走向1.6T和3.2T模块——在新架构逐步量产的同时，可插拔模块将在许多用例中保持竞争力。

共封装光学也正接近（相对）成熟阶段。关键构建模块正过渡到中试线支持、供应链准备和晶圆级服务——即便行业仍在继续追求更高带宽、更快通道速率和更好能效。大规模CPO部署预计从2027/2028年起开始。

3D集成光学仍处于较早的研发阶段。当前工作聚焦于路径探索和构建器件/集成工具箱。首批概念验证演示器预计在三到五年内出现，更广泛的商业化预计在五到十年的视野内。

将下一代光互连推向市场

通过其光互连研究项目，imec开发未来光收发模块的关键构建模块，在商业部署前数年就预判市场需求。

imec的优势在于是一个真正的一站式研发环境，汇集了硅光子、先进CMOS、3D集成、材料研究和系统级建模方面的专长。这种广度使研究人员能够比在高量产制造环境中更快地探索新概念，实现短开发周期，并自由追求非常规（集成）方法。该项目还得到imec跨技术协同优化（XTCO） 战略的进一步加强，该战略推动跨技术领域的扩展。

一个关键加速器是imec光互连研究团队与imec半导体制造支柱IC-Link之间的紧密协作。imec的早期研究聚焦于路径探索和原型制作，而IC-Link通过完善工艺流程、提升可制造性、建立测试策略并接入更广泛供应链，帮助技术迈向更高技术成熟度。通过IC-Link，工业伙伴还可通过imec的200mm和300mm iSiPP硅光平台获取和评估这些技术，提供从早期创新到工业部署的路径。

除IC-Link之外，imec通过各种合作模式与工业伙伴保持紧密互动。这些涵盖引导性项目（imec与伙伴共同探索新兴技术）、有针对性的双边项目（由伙伴特定需求驱动），直至长期核心伙伴合作。同时，imec与设备供应商紧密合作，在先进设备和工艺能力进入商业使用之前就进行早期验证。

这些互动共同确保imec的光互连研究牢牢扎根于真实系统需求，同时加速先进技术向市场就绪解决方案的转化。

来源：翻译自Semiconductor Engineering刊发的imec技术报告，作者Peter Ossieur。