寬而慢的 MicroLED 光學互連

隨著 AI 模型規模呈指數型成長, 資料中心的瓶頸已從 "算力 (Compute)" 轉移到 "資料傳輸 (Data Movement)". 1) 記憶體端的解法 (晶片間): HBM 重新定義了晶片內部的資料吞吐量. 2) 光學端的解法 (晶片外): 當銅線達到物理傳輸極限時, 光通訊 (從光收發器到 CPO 共同封裝光學) 接手了長距離的傳輸. 3) 交會點的黑馬: 記憶體與光學正從兩端包夾同一個瓶頸, 而 Avicena 這家矽谷新創公司正站在這個交會點上.

現行的資料中心光通訊 (無論是傳統光收發或 CPO) 皆基於雷射 (Laser). 其發展方向是 "窄而快": 不斷提高單通道的串列速率 (如 100G/200G), 使用複雜的 PAM4 調變與波長分波多工 (WDM). Avicena 的 LightBundle 平台則走向完全相反的 "寬而慢" 路線; 放棄追求單一通道的極致速度, 而是將訊號速度降低, 並在晶片邊緣平鋪出數百甚至數千條平行的資料通道, 靠 "數量" 堆疊出恐怖的總頻寬.

這項架構帶來四個革命性的顛覆優勢: 1) 擺脫雷射限制 (No Laser): 傳統光通訊的故障與製造成本多來自雷射及其與光纖的對準問題 (CPO 方案甚至必須將外置雷射源拆分成獨立模組, 因為雷射死得最快). LED 結構簡單且耐高溫, 運作溫度升高, 雷射的發光效率會急劇下降, Avicena 已展示過在 235°C 極端高溫下穩定運作的光學鏈路, 完美解決了光學元件必須緊鄰發熱晶片 (ASIC) 的散熱難題.

2) 功耗降至全新數量級 (Ultra-low Power): 雷射有"雷射閥值 (Lasing threshold)", 不論是否傳輸資料都必須維持高電流. MicroLED 作為自發光元件, 有資料要傳輸時才需要注入電流發光, 沒訊號時電流直接歸零. Avicena 成功展示了在每通道 4Gbps 的速度下, 每個 LED 僅需 100µA 的驅動電流, 發射端能量僅 80fJ/bit; 整體鏈路功耗達到 sub-pJ/bit (低於 1 pJ/bit) 的層級, 比傳統雷射光互連低了整整一個數量級.

3) 移除 SerDes 與 DSP 晶片: 晶片內部的資料原生是以約 2Gbps 的寬頻並行匯流排 (Parallel buses)運作, 傳統光通訊為了將資料送出晶片, 必須使用 SerDes (串列/解串列) 晶片將其序列化為 100G 的訊號, 這會消耗大量功耗, 延遲與晶片面積. LightBundle 則將晶片內部的並行資料近乎 1:1 地映射到光學通道上, 採用純 NRZ 調變, 不需要 DSP (雜訊修復), 也不需要前向糾錯 (FEC), 從而消除了 FEC 解碼帶來的延遲.

4) 完美借力既有生態系: 與矽光子需要耗時發展微環諧振器或梳狀雷射等全新元件不同, MicroLED 光通訊可以寄生在現有的龐大產業上; 發射端借用顯示器產業 (如 AR 眼鏡的 LEDoS) 的量產技術, 接收端則直接採用智慧型手機 CIS 的成熟製程 (這也是台積電加入的原因), 不過通訊用的 MicroLED 與顯示器不同, 追求的是 GHz 等級的 "調變頻寬" 而非亮度, 因此仍須克服高密度整合與 CMOS 晶圓鍵合良率等技術挑戰.

資料中心面臨的核心衝突在於: 為了 Scale-up 性能, 所有算力必須高度集中 (如 Nvidia NVL576), 但隨之而來的 600KW 高功耗密度 導致嚴重的散熱與供電挑戰, MicroLED 光互連並非要完全取代雷射, 而是要在 0.01m 到 30m 的關鍵區間內, 解決銅纜的 "距離焦慮" 與傳統光模組的 "功耗詛咒". 它將光傳輸簡化為匯流排的結構, 這正是未來 Scale-up 能否突破熱設計功耗 (TDP) 限制的決定性技術.

參考來源: https://substack.com/home/post/p-200575584