Forskning undersøger termisk påvirkning af 3D-stabling af fotoniske og elektroniske chips

Nylige fremskridt inden for kunstig intelligens og mere specifikt store sprogmodeller såsom ChatGPT har lagt et pres på datacentre. AI-modeller kræver enorme mængder data at træne, og for at flytte data mellem processorenhederne og hukommelsen bliver effektive kommunikationsforbindelser nødvendige.

Til langdistancekommunikation har fiberoptik allerede været go-to-løsningen i årtier. For kortdistance-intra-datacenter-kommunikation begynder industrien nu også at tage fiberoptik i brug på grund af dens store ydeevne sammenlignet med klassiske elektriske links. Den seneste teknologiske udvikling gør det nu endda muligt at skifte fra elektrisk til optisk sammenkobling på meget små afstande, såsom kommunikationen mellem chips inde i den samme pakke.

Dette kræver en konvertering af datastrømmen fra det elektriske til det optiske domæne, hvilket sker i den optiske transceiver. Siliciumfotonik er den mest udbredte teknologi til fremstilling af disse optiske transceivere.

De aktive fotoniske enheder inde i chippen (modulatorer og fotodetektorer) kræver stadig en forbindelse med elektroniske drivere for at forsyne enhederne og læse de indkommende data. Stabling af den elektroniske chip (EIC) lige oven på den fotoniske chip (PIC) ved hjælp af 3D stacking teknologi realiserer en meget tæt integration af komponenterne med lav parasitisk kapacitans.

I forskning for nylig offentliggjort i Journal of Optical Microsystems , undersøges den termiske påvirkning af denne 3D-integration.

Designet af den fotoniske chip består af en række ringmodulatorer, som er kendt for deres temperaturfølsomhed. For at fungere i et krævende miljø, såsom et datacenter, har de brug for aktiv termisk stabilisering. Dette er implementeret i form af integrerede varmelegemer. Af hensyn til energieffektiviteten er det indlysende, at den effekt, der kræves til termisk stabilisering, bør minimeres.

Forskerholdet fra KU Leuven og Imec i Belgien målte varmeeffektiviteten af ​​ringmodulatorerne eksperimentelt før og efter flip-chip-bindingen af ​​EIC på PIC. Der blev fundet et relativt tab på -43,3 % i effektivitet, hvilket er en betydelig påvirkning.

Ydermere tilskrev 3D finite element-simuleringer dette tab til varmespredning i EIC. Denne varmespredning bør undgås, fordi i det ideelle tilfælde er al varme, der genereres i det integrerede varmelegeme, indeholdt tæt på den fotoniske enhed. Den termiske krydstale mellem de fotoniske enheder steg også med op til +44,4 % efter binding af EIC, hvilket komplicerede den individuelle termiske kontrol.

Kvantificering af den termiske påvirkning af 3D fotonisk-elektronisk integration er afgørende, men det samme er forebyggelsen af ​​tab af varmeeffektivitet. Af denne grund blev der udført en termisk simuleringsundersøgelse, hvor typiske designvariabler blev ændret med det formål at øge varmerens effektivitet. Det er vist, at ved at øge afstanden mellem µbump og den fotoniske enhed og ved at formindske forbindelseslinjebredden kan den termiske straf ved 3D-integration minimeres.

Flere oplysninger: David Coenen et al., Termisk modellering af hybrid tredimensionelle integrerede, ringbaserede silicium fotonisk-elektroniske transceivere, Journal of Optical Microsystems (2023). DOI:10.1117/1.JOM.4.1.011004

Leveret af SPIE