DARPA启动“用于极端可扩展的封装光子学”新项目

[据DARPA官网2018年11月1日报道]并行――几个处理器同时执行应用或计算――已经逐渐被微电子工业界所接受，有望提高系统性能。如今，并行计算架构已经普及到所有应用领域和系统规模中――从消费品设备中的多核处理单元到国防部系统中的高性能计算。然而，并行计算带来的性能效益越来越多地不受单个节点的计算限制，而是受到节点间数据流动的限制。

当考虑现代多芯片模块时，对于短距离连接这些节点依赖电学链路，但是一旦系统规模扩大至电路板级别及其以上，电学链路的性能会急剧下降，集成电路间要求大量能量实现数据移动。在数据传输中，扩大光学元件的使用而不是电学元件，有助于在增加数据容量的时候大幅降低能耗，完成大量并行计算。

DARPA微系统技术办公室Dr.GordonKeeler项目经理说：“今天，微电子系统严重受到数据流动的高成本限制，就测量的能量、尺寸或者功率而言。高效的光子学处理为颠覆性系统可扩展性提供了途径，因为高效的光子学处理减少了对保持数据局域的需求，并有望影响数据密集型应用，包括机器学习、大规模仿真和先进传感器。”

光学接收机模块已可使用光纤实现高带宽、低损耗、远距离光学信号处理。然而，当数据移动到光学收发机和电学领域中的先进集成电路之间时，瓶颈极大地限制了性能提升。将集成光子学解决方案与微电子封装包集成，将消除限制，实现并行计算新水平。

新的DARPA项目――“用于极端可扩展的封装光子学”项目(PIPES)寻求通过开发用于数字微电子学的高带宽光学信号技术，以实现未来系统可扩展性。新项目主要包含3个技术领域，旨在开发和嵌入集成光学收发机至现代多芯片模块，并创造先进光学封装和开关技术，以满足高度并行系统中的数据流动需求。新项目开发的高效、高带宽、封装级光学信号，将在经济、国防等领域的大量新兴应用中发挥重要应用。

新项目的第一个技术领域是关注与先进集成电路封装的高性能光学输入/输出技术的发展，包括现场可编程门阵列、图形处理单元、专用集成电路。除了技术开发之外，该项目还寻求促进国内生态系统，以支持更广泛地部署所开发的技术，并扩大其影响。在带宽密度和能耗方面仍需大幅提升，以适应未来微电子输入/输出。为了解决这一挑战，第2个技术领域将为颠覆性方法研究新型器件技术和先进链路概念，以实现史无前例的高度可扩展、封装输入/输出。

来自PIPES项目的前两个技术领域的封装级光子输入/出的成功进展，将为系统架构创造新的挑战。大型分布式并行计算互连网络的发展将创造成百上千个节点，这将极难管理。为了解决这一复杂性，PIPES项目的第三个技术领域将重点开发低损耗光学封装方法，以实现高沟道密度密度和高端口数量，以及可重构、低功耗光学开关技术。（工业和信息化部电子第一研究所许文琪）