光互連系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及封裝技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種光互連系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電互連(Electrical Interconnect1n)是一種以銅線為主的電信號傳輸方式,如服務(wù)器間的電纜互連(板外互連)、PCB(Printed Circuit Board,印刷電路板)上的銅線互連(板上互連，或稱為片間互連)、多核間互連(片上互連，介質(zhì)為銅或其他金屬)。隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，集成電路主流工藝線寬越來越小，器件尺寸和速度已逐步趨于物理極限，集成度受到了極大的挑戰(zhàn)。另外，隨著處理器速度的提高，電互連所固有的局限性也逐漸顯現(xiàn)出來，傳統(tǒng)金屬互連線的寄生效應(yīng)，如寄生電容、延遲時間、信號串?dāng)_等問題變得十分顯著，電互連方式無法實現(xiàn)高效地傳輸信號，弓I入新的互連方式勢在必行。
[0003]相比于電互連方式,光互連(Optical Interconnect1n)是一種以自由空間(可以認(rèn)為是空氣或真空)、光纖、波導(dǎo)等媒介為主的光信號傳輸方式，具有更高的帶寬和帶寬密度、更低的功耗、更小的時延、較小的串?dāng)_和電磁干擾等優(yōu)勢，光互連在計算機中取代電互連已成為必然趨勢。
[0004]目前，有一種基于TSV (Through Silicon Via，硅通孔)的光互連系統(tǒng)架構(gòu)。TSV技術(shù)是通過在芯片和芯片之間、晶圓和晶圓之間制作垂直導(dǎo)通，實現(xiàn)芯片之間互連的最新技術(shù)。該光互連系統(tǒng)架構(gòu)由處理器層、內(nèi)存層和光互連網(wǎng)絡(luò)層的裸片(Bare Die)共同堆疊(Stacking)而成,三層裸片之間通過鍵合技術(shù)(Bonding Technique)和TSV技術(shù)實現(xiàn)三維的電學(xué)互連，處理器層或內(nèi)存層的電信號通過TSV抵達(dá)光互連網(wǎng)絡(luò)層時轉(zhuǎn)換為光信號，并在光互連網(wǎng)絡(luò)層的光路由拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)光信號的傳輸，并將光信號轉(zhuǎn)換為電信號通過TSV送達(dá)處理器層或內(nèi)存層。
[0005]上述光互連系統(tǒng)架構(gòu)完全采用TSV技術(shù)實現(xiàn)3D疊層封裝，其光互連僅通過一個光網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)，有很大的電延遲和損耗，隨著堆疊層數(shù)的增加，傳輸線的延遲和損耗會增加，導(dǎo)致信號的傳輸效率下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供了一種光互連系統(tǒng)和方法，以提高信號的傳輸效率，實現(xiàn)三維空間內(nèi)的光互連。
[0007]貫穿本說明書，術(shù)語“基本單元”指的是光互連系統(tǒng)的組成單元，該基本單元包括光網(wǎng)絡(luò)層和電學(xué)層。
[0008]貫穿本說明書，術(shù)語“堆疊”指的是為了在有限的芯片/電路板的表面面積上，以增加深度、寬度和/或電子設(shè)計的功能為目的的、對芯片、封裝零部件或卡進行機械上以及電子上的裝配。
[0009]貫穿本說明書，術(shù)語“光網(wǎng)絡(luò)層”指的是光互連系統(tǒng)的組成部分，集成有光學(xué)器件，并能夠?qū)崿F(xiàn)光信號的發(fā)送、接收、處理和傳輸。
[0010]貫穿本說明書，術(shù)語“電學(xué)層”指的是光互聯(lián)系統(tǒng)的組成部分，集成有電學(xué)器件，并能夠?qū)崿F(xiàn)電信號的發(fā)送、接收、處理和傳輸。
[0011]第一方面，提供了一種光互連系統(tǒng)，包括:堆疊互連的兩個或兩個以上的基本單元，所述基本單元包括:光網(wǎng)絡(luò)層和電學(xué)層；
[0012]在每個基本單元內(nèi)部，所述光網(wǎng)絡(luò)層與所述電學(xué)層采用電互連；
[0013]每個基本單元的光網(wǎng)絡(luò)層與相鄰的基本單元的光網(wǎng)絡(luò)層采用光互連。
[0014]結(jié)合上述第一方面，在第一種實施方式下，每個基本單兀的光網(wǎng)絡(luò)層包括:光收發(fā)單元和光交換單元；所述光收發(fā)單元包括:光發(fā)射單元和光接收單元，所述光交換單元包括:仲裁邏輯器件和層間光交換單元；
[0015]所述光發(fā)射單元，用于接收本基本單元的電學(xué)層的電信號，將所述電信號轉(zhuǎn)換為光信號，并將所述光信號發(fā)射到所述仲裁邏輯器件；
[0016]所述仲裁邏輯器件，用于接收本基本單元的所述光發(fā)射單元發(fā)射的光信號或與本基本單元相鄰的基本單元的層間光交換單元轉(zhuǎn)發(fā)的光信號，根據(jù)收到的所述光信號的波段，以及預(yù)先配置的基本單元與光信號波段的對應(yīng)關(guān)系，判斷收到的所述光信號的目的地是否為本基本單元，如果是，則將所述光信號傳輸至本基本單元的光接收單元，否則，將所述光信號傳輸至本基本單元的所述層間光交換單元；
[0017]所述層間光交換單元，用于接收本基本單元的所述仲裁邏輯器件發(fā)送的所述光信號，并將該光信號傳輸至相鄰基本單元的光網(wǎng)絡(luò)層；
[0018]所述光接收單元，用于接收本基本單元的所述仲裁邏輯器件發(fā)送的所述光信號，并將該光信號轉(zhuǎn)化為電信號傳輸至本基本單元的電學(xué)層。
[0019]結(jié)合上述第一種實施方式，在第二種實施方式下，所述電學(xué)層包括N個子單元，所述光接收單元的個數(shù)也為N，且與所述電學(xué)層的N個子單元一一對應(yīng)，所述N為大于或等于2的整數(shù)；
[0020]所述光交換單元還包括:
[0021]層內(nèi)光交換單元，用于接收本基本單元的所述仲裁邏輯器件在判斷所述光信號的目的地為本基本單元時輸出的所述光信號，解析所述光信號獲知所述光信號的目的地所在的子單元，傳輸所述光信號至與所述目的地所在子單元對應(yīng)的光接收單元；
[0022]所述目的地所在子單元對應(yīng)的光接收單元，用于接收本基本單元的所述層內(nèi)光交換單元輸出的所述光信號，并將該光信號轉(zhuǎn)化為電信號傳輸至對應(yīng)的電學(xué)層的子單元。
[0023]結(jié)合上述第一種實施方式，在第三種實施方式下，所述層間光交換單兀具體為光學(xué)反射鏡。
[0024]結(jié)合上述第一種實施方式，在第四種實施方式下，所述仲裁邏輯器件包括以下其中之一:光學(xué)微環(huán)諧振器、陣列波導(dǎo)光柵或光柵稱合器。
[0025]結(jié)合上述第一方面，在第五種實施方式下，每個基本單元的光網(wǎng)絡(luò)層與相鄰的基本單元的光網(wǎng)絡(luò)層，通過自由空間進行光互連；
[0026]或，每個基本單元的光網(wǎng)絡(luò)層與相鄰的基本單元的光網(wǎng)絡(luò)層，以通過硅的光波導(dǎo)TSOWG進行光互連。
[0027]第二方面，提供了一種光互連方法，應(yīng)用于如第一方面所述的光互連系統(tǒng)，所述兩個或兩個以上的基本單元包括第一基本單元和第二基本單元，所述第一基本單元包括第一光網(wǎng)絡(luò)層和第一電學(xué)層，所述第二基本單元包括第二光網(wǎng)絡(luò)層和第二電學(xué)層，所述方法包括:
[0028]所述第一電學(xué)層發(fā)送電信號至所述第一光網(wǎng)絡(luò)層，所述電信號的目的地為所述第二電學(xué)層；
[0029]所述第一光網(wǎng)絡(luò)層接收所述電信號，將所述電信號轉(zhuǎn)換為光信號，將所述光信號發(fā)送至所述第二光網(wǎng)絡(luò)層；
[0030]所述第二光網(wǎng)絡(luò)層接收所述光信號，將所述光信號轉(zhuǎn)換為所述電信號，發(fā)送所述電信號至所述第二電學(xué)層。
[0031]結(jié)合上述第二方面，在第一種實施方式下，所述光互連系統(tǒng)還包括:第三基本單元，所述第三基本單元位于所述第一基本單元和第二基本單元之間，所述第三基本單元包括:第三光網(wǎng)絡(luò)層和第三電學(xué)層；
[0032]所述將所述光信號發(fā)送至所述第二光網(wǎng)絡(luò)層，包括:
[0033]所述第一光網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)所述光信號的波段，在預(yù)先配置的基本單元與光信號波段的對應(yīng)關(guān)系中，查找到所述光信號的波段對應(yīng)的基本單元，確定所述光信號的目的地為所述第二基本單元，將所述光信號發(fā)送至所述第三基本單元的第三光網(wǎng)絡(luò)層，通過所述第三光網(wǎng)絡(luò)層將所述光信號轉(zhuǎn)發(fā)至所述第二光網(wǎng)絡(luò)層；
[0034]其中，所述對應(yīng)關(guān)系包括基本單元和與其對應(yīng)的光信號波段，且每一個基本單元對應(yīng)的光信號波段均不同。
[0035]結(jié)合上述第二方面，在第二種實施方式下，所述第二電學(xué)層包括N個子單元，所述N為大于或等于2的整數(shù)；
[0036]所述第二光網(wǎng)絡(luò)層接收所述光信號，將所述光信號轉(zhuǎn)換為所述電信號，發(fā)送所述電信號至所述第二電學(xué)層，包括:
[0037]所述第二光網(wǎng)絡(luò)層接收所述光信號，解析所述光信號獲知所述光信號的目的地所在的所述第二電學(xué)層內(nèi)的子單元；
[0038]所述第二光網(wǎng)絡(luò)層將所述光信號轉(zhuǎn)換為所述電信號，傳輸所述電信號至確定出的所述第二電學(xué)層內(nèi)的子單元。
[0039]本發(fā)明提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是:通過兩個或兩個以上的基本單元堆疊互連，每個基本單元內(nèi)部光網(wǎng)絡(luò)層與電學(xué)層采用電互連，每個基本單元的光網(wǎng)絡(luò)層與相鄰的基本單元的光網(wǎng)絡(luò)層采用光互連，把光互連引入到疊層之間，實現(xiàn)了真正的三維空間內(nèi)的光互連，由于光傳輸具有延遲和損耗小的特性，因此，降低了對電學(xué)層堆疊層數(shù)的限制，提高了信號的傳輸效率。
【附圖說明】
[0040]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0041]圖1a是本發(fā)明實施例1提供的光互連系統(tǒng)一種結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042]圖1b是本發(fā)明實施例1提供的光互連系統(tǒng)另一種結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043]圖1c是本發(fā)明實施例1提供的光網(wǎng)絡(luò)層一種結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖1d是本發(fā)明實施例1提供的光網(wǎng)絡(luò)層另一種結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045]圖2是本發(fā)明實施例1提供的三層的光互連系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0046]圖3是本發(fā)明實施例2