高性能計算光電子技術的反向設計

逍遙設計自動化

引言
" I  `9 J- _2 Y+ D+ T; ^隨著數(shù)據(jù)中心流量的持續(xù)增加，開發(fā)新的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以優(yōu)化芯片間和片上通信變得越來越重要。雖然處理速度隨著技術進步而提高，但電氣互連的延遲并沒有相應地降低，導致了"互連瓶頸"，信息傳輸時間成為主要的限制因素。光學互連在提高帶寬和降低芯片級延遲及功耗方面顯示出潛力。然而，實現(xiàn)實用的芯片級光電系統(tǒng)仍然面臨挑戰(zhàn)。

( ~8 u6 ~5 x* R* B: K本文將探討反向設計技術如何幫助克服高性能計算互連光電子器件設計中的關鍵挑戰(zhàn)。我們將涵蓋動機、方法制定和反向設計光電子組件的實際例子。

系統(tǒng)級動機
為了理解改進大型計算系統(tǒng)中短程互連的潛在好處，我們可以估算對系統(tǒng)級性能指標（如能量延遲積，EDP）的影響。圖1顯示了在不同處理器-內存架構上訓練長短期記憶（LSTM）語言模型時的時間和能量消耗分析。
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6 ^6 t' ]( v3 r7 d( i圖1：顯示了在2D和2.5D處理器-內存架構上訓練LSTM模型時時間和能量消耗的細分。約90%的時間用于內存訪問，而65%的能量被處理器空閑時間消耗。

- r: }6 s7 D. l6 h對于2D和2.5D架構，約90%的時間用于訪問內存，而65%的能量被處理器等待內存訪問結果的空閑時間消耗。這突顯了提高內存訪問延遲、帶寬和能源效率的重要性。

$ u$ U# }0 v7 h' G, t光學互連可能解決這個瓶頸問題。為了估算效益，我們可以建模一個系統(tǒng)，其中處理器到內存的通信通過光學互連進行，而其他內存訪問組件使用標準電子設備。圖2顯示了不同光學互連延遲和能量的估計EDP效益。

圖2：顯示了2D和2.5D架構中，內存訪問的估計EDP效益作為光學互連延遲的函數(shù)，對應不同的互連能量。

( _  d& x$ M# Q對于延遲低于2 ns和能量低于1 pJ/bit的互連，我們看到內存訪問事件的EDP改善接近2倍。這些目標可能通過改進的光電子組件與電子設備集成來實現(xiàn)。
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8 e2 L3 k# f3 }反向設計方法
% M, ~: C  n0 |; b% R過渡到芯片級光學互連需要緊湊、低損耗、對制造誤差穩(wěn)健且兼容大規(guī)模生產(chǎn)的器件。傳統(tǒng)光電子設計通常依賴于半解析設計的參數(shù)掃描，限制了設計空間。反向設計使用物理引導優(yōu)化來探索給定占用面積的全參數(shù)空間。

% A6 u* Q& A, s" o( R反向設計方法將光電子器件設計表述為優(yōu)化問題：
1 Y1 d# ]1 U2 z8 Y5 e) X& b/ Y

4 Y& |7 X7 A# |9 `8 m
其中fobj是捕捉優(yōu)化目標的目標函數(shù)，E是電場，ε是表示器件結構的介電常數(shù)分布，ω是頻率，J是輸入源，C是可制造的介電常數(shù)分布集合。

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8 ~+ C0 \2 h# A目標函數(shù)相對于ε的梯度可以使用伴隨方法高效計算：
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4 p% P; t' M) V- O這允許使用每次迭代只需兩次電磁模擬的大量自由度進行優(yōu)化。

實用反向設計光電子器件
光柵耦合器：
8 c" E& T* h5 T反向設計已用于創(chuàng)建寬帶、多功能和高效率的光柵耦合器。圖3顯示了具有各種功能的反向設計光柵耦合器的例子。

( v' {  X( w2 [( V, O圖3：顯示了反向設計的光柵耦合器，包括（a）不同帶寬的寬帶耦合器，（b）波長解復用耦合器，和（c）效率99%的傾斜蝕刻耦合器。
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分路器/復用器：
反向設計的分路器和復用器器件比傳統(tǒng)設計實現(xiàn)了10倍小的占用面積和增加的穩(wěn)健性。圖4展示了在商業(yè)代工廠制造的反向設計波長解復用器。

圖4：顯示了反向設計的波長解復用器，包括（a）問題表述，（b）器件設計，（c）制造的器件圖像，（d）模擬性能，和（e）測量性能。

慢光波導：
反向設計可應用于色散工程，創(chuàng)建高效的慢光波導，可能實現(xiàn)更節(jié)能的調制器。圖5顯示了反向設計慢光光子晶體波導的例子。
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圖5：展示了色散工程的反向設計，顯示（a）初始器件，（b）初始色散，（c）最終反向設計器件，（d-e）電場分量，和（f-g）最終色散和群折射率。
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展望和未來方向
5 @( g. f. k5 x雖然反向設計在實現(xiàn)實用芯片級光學互連方面顯示出潛力，但仍有幾個關鍵研究方向：

與電子設備集成：演示反向設計光電子器件與用于信息處理和控制線路的電子設備的集成。

有源器件設計：將反向設計技術擴展到具有挑戰(zhàn)性的有源器件，如調制器，可能利用慢光波導提高效率。

仿真效率：改進3D仿真能力，使得在不需要過高計算時間的情況下能夠反向設計更大的有源器件。

非線性和時域優(yōu)化：納入非線性效應和時域方法，擴大可以反向設計的器件范圍。

數(shù)據(jù)驅動加速：利用機器學習模型加速反向設計過程中的電磁仿真。
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通過解決這些挑戰(zhàn)，反向設計可能為大規(guī)模計算系統(tǒng)解鎖顯著的系統(tǒng)級性能改進。該方法已證明能夠生產(chǎn)緊湊、寬帶和多功能的無源光電子器件，并與代工廠制造兼容，使其成為實現(xiàn)高效和緊湊低延遲光學鏈路的有希望的工具。
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8 W6 B( m- ]9 r- T% _總之，反向設計為克服高性能計算互連中傳統(tǒng)光電子器件的關鍵限制提供了強大的方法。通過實現(xiàn)穩(wěn)健、緊湊和高效的光電子組件的創(chuàng)建，可能在解決互連瓶頸和改善整體系統(tǒng)性能方面發(fā)揮關鍵作用。隨著研究在有源器件設計和與電子設備集成等領域的進展，反向設計光電子技術可能成為下一代計算系統(tǒng)的重要技術。

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參考文獻
  B( g. O; z0 g/ U5 E. C7 k[1] M. Nikdast, S. Pasricha, G. Nicolescu, and A. Seyedi, Eds., Silicon Photonics for High-Performance Computing and Beyond, 1st ed. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2021.

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' F/ F  V# X! k. h# H深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導體芯片設計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設計和仿真軟件，提供成熟的設計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設計與仿真。我們提供特色工藝的半導體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務，廣泛服務于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領域的頭部客戶。逍遙科技與國內外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術與服務。
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