現(xiàn)代計算中銅互連的演進

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銅在計算中的基礎作用
' h8 Z2 [" Z4 M在計算技術不斷發(fā)展的背景下，銅仍然是基礎組件，但面臨著新的挑戰(zhàn)和適應性要求。本文探討銅在計算基礎設施中的現(xiàn)狀和未來發(fā)展方向，重點關注其在帶寬需求增加和新興技術影響下的轉變。

銅自最早期的計算機開始就是互連的主要材料。銅受歡迎的原因包括：優(yōu)良的導電性、相比金銀等貴金屬更具成本效益，以及相對較低的電阻。1990年代末期，銅替代鋁用于晶體管連接是一個重要里程碑，通過40%更低的電阻實現(xiàn)了15%的性能提升。

銅互連的可靠性和簡單性使其成為計算基礎設施中的默認選擇。Marvell光電子技術執(zhí)行副總裁Loi Nguyen博士強調(diào)："光電子技術的第一條規(guī)則是'能用銅實現(xiàn)的就用銅實現(xiàn)'"。這個原則多年來一直指導著行業(yè)對互連設計的方法[1]。

圖1展示了銅互連的使用
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+ }. C/ D$ p1 T' p2 J/ F( ]帶寬和傳輸距離的挑戰(zhàn)
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& C- Y: @2 h# S" Z- `+ r( m' `圖2展示了銅互連中帶寬和傳輸距離的反比關系，說明數(shù)據(jù)傳輸速率增加會導致最大傳輸距離縮短。

2 `6 f+ h+ U- p" l; p, W. ?5 ^盡管銅具有諸多優(yōu)勢，但由于電阻的固有限制面臨著挑戰(zhàn)。隨著網(wǎng)絡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系遵循一個一致的規(guī)律：數(shù)據(jù)傳輸速率翻倍通常會使傳輸距離減少30-50%。這種限制導致在數(shù)據(jù)中心和電信網(wǎng)絡中，超過5米的連接已經(jīng)采用光電子技術取代銅。

200G里程碑和SerDes演進

5 [1 v& h$ B2 Y圖3說明了SerDes技術從50G到200G的發(fā)展過程，突出顯示了不同世代的時間線和實施情況。*
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SerDes（串行器/解串器）組件是現(xiàn)代網(wǎng)絡基礎設施的基本構建模塊。目前的12.8T網(wǎng)絡使用數(shù)百萬個50G銅質(zhì)和光學SerDes，每個400G線纜或模塊包含八個SerDes單元。隨著網(wǎng)絡向51.2T能力演進，主要使用100G SerDes。到2027年，網(wǎng)絡將開始采用200G SerDes，這標志著銅互連技術的關鍵轉折點。

延長傳輸距離的先進解決方案
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7 C' K7 b% m4 d0 q# [0 S1 V, x圖4描述了有源電氣線纜（AEC）架構，展示了光學DSP集成如何延長銅纜傳輸距離。

. P& |  L/ e- p* h6 q5 m: @: M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數(shù)字信號處理器（DSP）以放大和優(yōu)化信號。例如，Marvell的Alaska A 1.6T PAM4 DSP用于AEC，在200G時可將傳輸距離延長三倍，在50G時可達到7米。
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PCIe演進和重定時器技術
$ K( y, W: L, B9 }$ UPCIe連接面臨與以太網(wǎng)類似的挑戰(zhàn)，但運行條件不同。最新的PCIe重定時器技術，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。這項進展使更大規(guī)模的系統(tǒng)設計和通過組件分布實現(xiàn)更好的散熱管理。
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8 t! a3 v) e4 Z$ Z2 `圖5顯示了云計算和AI服務器中PCIe重定時器的市場采用。

未來發(fā)展和光電子集成

圖6展示了運行速度達到128GT/秒的最新PCIe Gen 7 SerDes技術。

計算領域中銅的發(fā)展正在向結合傳統(tǒng)銅互連和光電子技術的混合解決方案方向發(fā)展。臺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_到5億美元。這些發(fā)展有望實現(xiàn)30%或更多的功耗降低，但實施這些解決方案需要對AI芯片和計算架構進行重大重新設計。

光電子技術與銅互連的集成代表了實用的方法，在保持銅基解決方案實際優(yōu)勢的同時滿足不斷增長的帶寬需求。隨著計算系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)展，這種混合方法將在下一代高性能計算基礎設施中發(fā)揮更大作用。
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& }; S5 v2 |1 W9 J% ~' \' A參考文獻
[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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