現(xiàn)代計(jì)算中銅互連的演進(jìn)

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

銅在計(jì)算中的基礎(chǔ)作用
在計(jì)算技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，銅仍然是基礎(chǔ)組件，但面臨著新的挑戰(zhàn)和適應(yīng)性要求。本文探討銅在計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施中的現(xiàn)狀和未來發(fā)展方向，重點(diǎn)關(guān)注其在帶寬需求增加和新興技術(shù)影響下的轉(zhuǎn)變。

9 H# q% @, o: u9 ~' h# Y4 ~4 ]" u銅自最早期的計(jì)算機(jī)開始就是互連的主要材料。銅受歡迎的原因包括：優(yōu)良的導(dǎo)電性、相比金銀等貴金屬更具成本效益，以及相對(duì)較低的電阻。1990年代末期，銅替代鋁用于晶體管連接是一個(gè)重要里程碑，通過40%更低的電阻實(shí)現(xiàn)了15%的性能提升。

8 b) o3 o' b, L  m銅互連的可靠性和簡單性使其成為計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施中的默認(rèn)選擇。Marvell光電子技術(shù)執(zhí)行副總裁Loi Nguyen博士強(qiáng)調(diào)："光電子技術(shù)的第一條規(guī)則是'能用銅實(shí)現(xiàn)的就用銅實(shí)現(xiàn)'"。這個(gè)原則多年來一直指導(dǎo)著行業(yè)對(duì)互連設(shè)計(jì)的方法[1]。
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5 z+ N) |! F- O* ]% f$ Q4 ~圖1展示了銅互連的使用

8 ]5 Q8 i$ m2 T' d2 \$ g4 J帶寬和傳輸距離的挑戰(zhàn)
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圖2展示了銅互連中帶寬和傳輸距離的反比關(guān)系，說明數(shù)據(jù)傳輸速率增加會(huì)導(dǎo)致最大傳輸距離縮短。

1 |) l7 x  h( {2 s6 m) I, _' H盡管銅具有諸多優(yōu)勢(shì)，但由于電阻的固有限制面臨著挑戰(zhàn)。隨著網(wǎng)絡(luò)速度和帶寬需求增加，熱量產(chǎn)生和功耗問題變得更加顯著。帶寬和傳輸距離的關(guān)系遵循一個(gè)一致的規(guī)律：數(shù)據(jù)傳輸速率翻倍通常會(huì)使傳輸距離減少30-50%。這種限制導(dǎo)致在數(shù)據(jù)中心和電信網(wǎng)絡(luò)中，超過5米的連接已經(jīng)采用光電子技術(shù)取代銅。

7 ?" H- H+ L  q/ C1 j200G里程碑和SerDes演進(jìn)

* Y0 U( @  O9 `6 h# O8 h. b圖3說明了SerDes技術(shù)從50G到200G的發(fā)展過程，突出顯示了不同世代的時(shí)間線和實(shí)施情況。*
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0 r' p# m& Y  `  ~4 @* pSerDes（串行器/解串器）組件是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的基本構(gòu)建模塊。目前的12.8T網(wǎng)絡(luò)使用數(shù)百萬個(gè)50G銅質(zhì)和光學(xué)SerDes，每個(gè)400G線纜或模塊包含八個(gè)SerDes單元。隨著網(wǎng)絡(luò)向51.2T能力演進(jìn)，主要使用100G SerDes。到2027年，網(wǎng)絡(luò)將開始采用200G SerDes，這標(biāo)志著銅互連技術(shù)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

$ c8 B7 S6 S: T) }( C+ v延長傳輸距離的先進(jìn)解決方案

圖4描述了有源電氣線纜（AEC）架構(gòu)，展示了光學(xué)DSP集成如何延長銅纜傳輸距離。
( t: T4 T  F- d8 A$ R- D+ H
+ m! q6 d* w/ V+ n2 X為解決銅互連的距離限制，行業(yè)開發(fā)了創(chuàng)新解決方案，如有源電氣線纜（AEC）。這些線纜在端部集成了光學(xué)數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）以放大和優(yōu)化信號(hào)。例如，Marvell的Alaska A 1.6T PAM4 DSP用于AEC，在200G時(shí)可將傳輸距離延長三倍，在50G時(shí)可達(dá)到7米。
* J( V3 G% W! [. U
$ b1 P" Z5 l  g5 O- x. |+ D9 oPCIe演進(jìn)和重定時(shí)器技術(shù)
* W& |$ H" K7 ]0 ]" p4 O; ~PCIe連接面臨與以太網(wǎng)類似的挑戰(zhàn)，但運(yùn)行條件不同。最新的PCIe重定時(shí)器技術(shù)，如Marvell的Alaska P，可將Gen 4 PCIe鏈路從8英寸延長到超過20英寸，而Gen 6 PCIe鏈路可從2.5英寸延長到約17英寸。這項(xiàng)進(jìn)展使更大規(guī)模的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和通過組件分布實(shí)現(xiàn)更好的散熱管理。

圖5顯示了云計(jì)算和AI服務(wù)器中PCIe重定時(shí)器的市場采用。

1 V9 Y7 z8 I0 ^0 a. g未來發(fā)展和光電子集成

! d1 T& `* o/ y; N) H( U& W圖6展示了運(yùn)行速度達(dá)到128GT/秒的最新PCIe Gen 7 SerDes技術(shù)。
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+ l. {; U1 E( p* A計(jì)算領(lǐng)域中銅的發(fā)展正在向結(jié)合傳統(tǒng)銅互連和光電子技術(shù)的混合解決方案方向發(fā)展。臺(tái)積電最近宣布加速開發(fā)硅基光電子解決方案的消息表明，到2028年，具有光電子功能的芯片市場規(guī)�？赡苓_(dá)到5億美元。這些發(fā)展有望實(shí)現(xiàn)30%或更多的功耗降低，但實(shí)施這些解決方案需要對(duì)AI芯片和計(jì)算架構(gòu)進(jìn)行重大重新設(shè)計(jì)。

" |* q" e- d5 S( w6 @5 Q/ T! ]" D( u光電子技術(shù)與銅互連的集成代表了實(shí)用的方法，在保持銅基解決方案實(shí)際優(yōu)勢(shì)的同時(shí)滿足不斷增長的帶寬需求。隨著計(jì)算系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)展，這種混合方法將在下一代高性能計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施中發(fā)揮更大作用。

" `- s- E0 v9 N4 N  d$ ]* X: c參考文獻(xiàn)
[1] https://www.marvell.com/blogs/nine-things-to-remember-about-the-future-of-copper-in-computing.html?utm_source=li&utm_medium=blog&utm_campaign=copper-tech
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