[发明专利]光互连系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及封装技术领域，特别涉及一种光互连系统和方法。

背景技术

电互连（Electrical Interconnection）是一种以铜线为主的电信号传输方式，如服务器间的电缆互连（板外互连）、PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板）上的铜线互连（板上互连，或称为片间互连）、多核间互连（片上互连，介质为铜或其他金属）。随着半导体工艺技术的发展，集成电路主流工艺线宽越来越小，器件尺寸和速度已逐步趋于物理极限，集成度受到了极大的挑战。另外，随着处理器速度的提高，电互连所固有的局限性也逐渐显现出来，传统金属互连线的寄生效应，如寄生电容、延迟时间、信号串扰等问题变得十分显著，电互连方式无法实现高效地传输信号，引入新的互连方式势在必行。

相比于电互连方式，光互连（Optical Interconnection）是一种以自由空间（可以认为是空气或真空）、光纤、波导等媒介为主的光信号传输方式，具有更高的带宽和带宽密度、更低的功耗、更小的时延、较小的串扰和电磁干扰等优势，光互连在计算机中取代电互连已成为必然趋势。

目前，有一种基于TSV（Through Silicon Via，硅通孔）的光互连系统架构。TSV技术是通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间互连的最新技术。该光互连系统架构由处理器层、内存层和光互连网络层的裸片（Bare Die）共同堆叠（Stacking）而成，三层裸片之间通过键合技术（Bonding Technique）和TSV技术实现三维的电学互连，处理器层或内存层的电信号通过TSV抵达光互连网络层时转换为光信号，并在光互连网络层的光路由拓扑网络中实现光信号的传输，并将光信号转换为电信号通过TSV送达处理器层或内存层。

上述光互连系统架构完全采用TSV技术实现3D叠层封装，其光互连仅通过一个光网络层实现，有很大的电延迟和损耗，随着堆叠层数的增加，传输线的延迟和损耗会增加，导致信号的传输效率下降。

发明内容

本发明提供了一种光互连系统和方法，以提高信号的传输效率，实现三维空间内的光互连。

贯穿本说明书，术语“基本单元”指的是光互连系统的组成单元，该基本单元包括光网络层和电学层。

贯穿本说明书，术语“堆叠”指的是为了在有限的芯片/电路板的表面面积上，以增加深度、宽度和/或电子设计的功能为目的的、对芯片、封装零部件或卡进行机械上以及电子上的装配。

贯穿本说明书，术语“光网络层”指的是光互连系统的组成部分，集成有光学器件，并能够实现光信号的发送、接收、处理和传输。

贯穿本说明书，术语“电学层”指的是光互联系统的组成部分，集成有电学器件，并能够实现电信号的发送、接收、处理和传输。

第一方面，提供了一种光互连系统，包括：堆叠互连的两个或两个以上的基本单元，所述基本单元包括：光网络层和电学层；

在每个基本单元内部，所述光网络层与所述电学层采用电互连；

每个基本单元的光网络层与相邻的基本单元的光网络层采用光互连。

结合上述第一方面，在第一种实施方式下，每个基本单元的光网络层包括：光收发单元和光交换单元；所述光收发单元包括：光发射单元和光接收单元，所述光交换单元包括：仲裁逻辑器件和层间光交换单元；

所述光发射单元，用于接收本基本单元的电学层的电信号，将所述电信号转换为光信号，并将所述光信号发射到所述仲裁逻辑器件；

所述仲裁逻辑器件，用于接收本基本单元的所述光发射单元发射的光信号或与本基本单元相邻的基本单元的层间光交换单元转发的光信号，根据收到的所述光信号的波段，以及预先配置的基本单元与光信号波段的对应关系，判断收到的所述光信号的目的地是否为本基本单元，如果是，则将所述光信号传输至本基本单元的光接收单元，否则，将所述光信号传输至本基本单元的所述层间光交换单元；

所述层间光交换单元，用于接收本基本单元的所述仲裁逻辑器件发送的所述光信号，并将该光信号传输至相邻基本单元的光网络层；

所述光接收单元，用于接收本基本单元的所述仲裁逻辑器件发送的所述光信号，并将该光信号转化为电信号传输至本基本单元的电学层。

结合上述第一种实施方式，在第二种实施方式下，所述电学层包括N个子单元，所述光接收单元的个数也为N，且与所述电学层的N个子单元一一对应，所述N为大于或等于2的整数；

所述光交换单元还包括：