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如果我们能提供一个好的硅光子集成系统，我们可以解决人工智能能源效率和计算能力方面的关键问题，这将是一个新的范式转变，我们可能正处于一个新时代的开端。
—— 台积电副总裁
业界正在寻求异质集成和混合键合同时，也在研究以玻璃基板为代表的具有成本效益和改进性能的新材料以及 CPO 等新技术，以将先进封装提升到新的水平，满足下一代AI/HPC性能需求。本文为您概述了玻璃基板技术在硅光/光电集成上的技术新进展。
CPO + TGV
人工智能模型的爆炸式增长正在打破现有基础设施——传统的互连技术产生了数据瓶颈，迫使GPU和其他加速器闲置，限制了计算性能，增加了功耗并推高了成本。为应对高性能计算的趋势，支持超过GPU集群的速度，共封装光学（CPO）技术应运而生，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。
共封装光学器件（CPO）的兴起在过去十年中，数据中心以太网交换机的容量从0.64Tbps 飙升至25.6Tbps，这得益于 64x 400Gbps或32x 800Gbps可插拔光收发器模块的采用。然而，这些高速模块在目前的外形尺寸内带来了重大挑战，问题包括所需的电气和光学连接器密度，以及不断上升的功耗。
CPO是异构集成领域的一个重要进步，其玻璃封装载板所用到的核心技术TGV，将硅光模块和CMOS芯片异构集成到一个封装基板上，这些方法充分利用了玻璃基板的独特特性，从玻璃基板边缘进行插拔互联，可降低功耗和成本，成为共封装光学器件 (CPO) 和集成光学的定制解决方案。
CPO与CoWoS技术不同，当玻璃基板技术无需中介层时即可直接安装SoC和HBM晶片，这使得在更低的高度内安装更多晶片成为可能。当玻璃通孔TGV技术作为中介层时是一种更便宜可靠的2.5D/3D方案。玻璃基板具有卓越的电气、机械和可靠性性能优于 Si 中介层可以在一个封装中连接更多晶体管，从而实现比目前使用的有机基板更大的可扩展性和开发更大的芯片系统级封装。CPO能够集成玻璃波导和玻璃通孔 （TGV），从而实现更高的互连密度并改进功率传输和信号路由。相比之下玻璃基作为芯片封装载板具备更优的散热性，其在大功率器件封装和高算力数据中心服务器等领域具有一定的应用空间。
CPO共封装光学成为一匹黑马半道杀出，CPO器件中的光纤管理挑战，推动了带有波导扇出的玻璃基板封装基板和用于前面板布线的嵌入式 PCB 波导的发展。在光互连方面，玻璃基板和聚合物波导、扩展光束光学以及先进的对准和连接技术等方面的创新正在为高密度、低损耗和高成本效益的解决方案铺平道路，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，提供最高性能和最可靠的光学连接解决方案，让无处不在的人工智能成为可能，如今这种设计已为相关供应链中开辟新的商机。
全球领先的光电互联方案商
Ayar Labs作为是未来半导体的领导者之一，专注人工智能速度移动数据的光互连I/O解决方案。今年Ayar Labs推出业界首款符合CW-WDM MSA标准的16波长光源，可驱动256个光载波，实现16 Tbps的双向带宽，这是人工智能工作负载所必需的带宽水平。
Ayar Labs这种下一代人工智能方案来自与康宁公司的合作。他们通过将Ayar Labs的TeraPHY光学I/O小芯片与康宁的玻璃基波导模块相结合。康宁的Glass Interposer封装方案中是玻璃通孔技术，在玻璃基板上刻蚀出孔洞，然后填充铜，用于高速信号与电源信号的传输。这样领先的光学解决方案，为人工智能生态系统带来了先进的光学功能。另外爱立信正在与Ayar Labs和康宁合作开发这种人工智能驱动的解决方案，作为他们未来移动系统技术探索的一部分。
目前，Ayar Labs已获得由 Boardman Bay Capital Management 牵头的 1.3 亿美元额外融资，以推动其光学 I/O 解决方案的商业化。惠普企业 (HPE) 和 NVIDIA 参与了此轮投资，加入了现有战略投资者 Applied Ventures LLC、GlobalFoundries、Intel Capital 和 Lockheed Martin Venture。
全球大部分硅光器件上采纳康宁玻璃基板技术。不仅有支持垂直高密度互联的TGV基板，还有支持硅光芯片量产的光学接口。在不久以后，康宁会将采用玻璃做光电基板，采用玻璃基波导来代替硅实现射频信号互联和垂直TGV通孔以降低光学互联损耗。这不仅写入了康宁的项目报告，也融入了Intel的光电基板的光学和电学的实现技术路径。
Fraunhofer IZM研究组认为基于玻璃基板的光子集成系统是解决带宽增大、通道数变多的核心技术。在Fraunhofer IZM的混合光子集成中，以具有电气馈通的金属化玻璃中介为基础3D集成有源电子和光子元件，采用玻璃真空封装/密封，满足（硅）光子封装对更高数据传输速率的要求。
三星先进封装团队预知HBM 进一步发展可能会遇到的瓶颈以及解决方案。目前三星表示，采用硅光子技术实现 HBM 内存与逻辑部分的互连，可实现更快的速率和更好的能效。三星预设了两种互连架构，一种类似现有结构，但使用光子中介层实现互连；另一种直接将逻辑部分和 HBM 分离，用硅光子通信连接两部分。从三星目前积极部署玻璃基板技术预测，以上方案中不排除将TGV作为中介层的战术部署。三星计划在2027年推出一体化、CPO集成的AI解决方案，旨在为客户提供一站式AI解决方案。三星还投资硅光子学公司 Celestial AI ，目前完成了1.75 亿美元 C 轮融资。
如今，台积电已经成立玻璃基板技术团队，也在积极布局硅光子领域，或将实现硅与光电的跨界整合。面对传统电信号互联在干扰、速率、能耗等方面的缺点逐渐显现，台积电表示，其正开发的三维立体光子堆叠技术 COUPE（紧凑型通用光学引擎），采用了 SoIC-X 芯片堆叠先进封装，将电路控制芯片叠放在硅光子芯片顶部，整合为单芯片光学引擎。未来目标或可能通过使用TGV技术实现光信号互联，更能满足 HPC 和 AI 应用对大带宽无缝互联的需求。台积电计划在2025 年完成将COUPE 技术用于小尺寸可插拔设备的技术验证，并于2026 年推出基于CoWoS 封装技术整合的共封装光学（CPO）模块，玻璃技术将是他们尝试的备选方案。面对英特尔积极地拉拢供应链、制定标准、建构生态，咄咄逼人导致目前台积电吓得哑口无言，并没有积极宣传自己的玻璃方案，但客户已经暴露了相关信息。
麻省理工学院将光学引擎与交换机专用集成电路（ASIC）集成在同一封装上的CPO器件代表了行业的重大转变。在其CPO方案中玻璃基板波导为集成光学器件提供了一种前景广阔的解决方案，在尺寸稳定的基底上实现低损耗的光学和电气互连。玻璃封装基板上的 PIC 倒装芯片示例，封装表面的离子交换玻璃波导与蒸发光耦合互连，封装与印刷电路板之间通过玻璃通孔 （TGV） 电气互连。
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。也可以与下一代CPU、GPU、IPUs和其他片上系统(SOC)集成封装并运行实时数据。数据方面，OCI的小芯片旨在支持64个通道的32G数据传输，可支持高达每秒4Tbps的双向数据传输，传输距离可达100米，重要的是，该技术与PCIe5.0兼容。而支持新兴800G和1.6T应用的下一代200G通道pic正在开发中。
至于如何青睐玻璃基板，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。
Intel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。
目前大部分CPO产品都是基于硅光的方案，但是VCSEL在超短距传输上有着明显的成本与功耗优势，IBM介基于VCSEL阵列的CPO技术方案，与II-VI合作一起承接了美国能源部(ARPA-E)的项目，将电芯片、VCSEL和PD芯片分别倒装到玻璃基板上，使得整个系统的可靠性提升了1000倍，带宽达到800Gbps（16x50Gbps）。IBM的VCSEL CPO各方面的性能优于HP、Fujitsu和Furukawa竞争对手。
NVIDIA 和 AMD
我们期待玻璃基板在未来三年的落地花开，业界将寄希望于英伟达和AMD身上。虽然处理器的玻璃基板如今很新奇，但它们可能比人们想象的更接近被采用。
黄仁勋吹牛逼自夸Blackwell是“全球最强大的芯片”，供应链对GB200寄予厚望。而封装基板被爆出为玻璃基板，并将计划将扇出型面板级封装最早引入GB200，2025/2026年量产。根据 IDTechEx 的研究，Nvidia 最新的 Blackwell CPU （型号GB200）表明，每个 GPU 大约需要两个800G收发器，高效、高带宽通信的需求对 AI 来说变得越来越重要，这使得硅光子学和光子集成芯片成为 AI 驱动未来的重要组成部分，这无疑让人产生遐想。
AMD 或有可能从有机基板转向玻璃基板。被爆出采用玻璃基板用于下一代高性能处理器的系统级封装 (SiP) ，计划在时间在 2025 年至 2026。据业内设计师表态，AMDMI300 因为翘曲问题使得原本应该使用 cowos-r后来又换回了 cowos-s，并决定加速玻璃基板开发，该公司将在 2025 年推出采用 SP5 封装的基于 Zen 5 的 EPYC 处理器，该处理器将继续使用有机基板。至于数据中心 APU，AMD 的 SH5 封装已经可以容纳大量芯片（在 Instinct MI300A 中），因此我们不确定其基于 CDNA 4 的继任者是否会在 2025 年使用新的玻璃基板。预计 2026 年 AMD 将发布全新的 Zen 6 和 CDNA 5 架构，届时该公司可能会考虑将至少部分最高端产品转为玻璃基板，以提供无与伦比的性能。
大佬们尝试采用玻璃技术的硅光集成解决高算力的性能强化方案，使得芯片性能在納米制程技術受限的情況下加速擴張，或将开启一个新时代。作为硅光集成的基础设施，玻璃基板目前全球量产在即，这位先进封装领域的后起之秀，能否实现大佬们的企盼，我们我们拭目以待啦。
最后插播一个广告。在ICEPT2024电子封装技术国际会议上，我们设置了特别小组会议，联合引领国内TGV技术产业化的公司——云天半导体、佛智芯以及肖特等公司的负责人和技术专家讨论《 Prospects and Challenges of Glass TGV Technolog》，并为ITGV 2024国际玻璃通孔技术创新与应用论坛做准备。
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