Ayar Labs发布白皮书：硅光互联在下一代融合传感系统中的应用

Ayar Labs公司一直在积极推动其硅光互联技术，拓展其应用领域。去年10月份，世界最大军火商Lockheed Martin公司发布PR, 与Ayar Labs结为战略合作伙伴关系，共同推动硅光互联在下一代传感系统中的应用(https://news.lockheedmartin.com/2022-10-12-Lockheed-Martin-Ayar-Labs-Partner-Advance-Microchip-Connectivity-Next-Generation-Sensory-Systems)。最近，Ayar Labs在其官网发布了相关技术的白皮书"Enabling Data-Intensive, Real-Time Battlefield Communication: The Role of Silicon Photonics in Next-Gen Converged-Sensor Platforms"。小豆芽这里做一些解读，供大家参考。

在新一代海陆空战场中，包括飞机、地面和舰艇等多个系统，环境复杂多变，会涉及到即时的海量数据采集、分析与互联，如下图所示。信息的处理，受到多方面因素的影响，包括频谱的阻塞(specturm congestion)、硬件延迟、电子干扰(electronic inteference)等。

然而目前的传感器系统主要采用筒仓式传感系统(siloed senor system), 系统中包含多个定制元件，每个元件完成特定的任务，如下图所示，在机身不同位置部署不同功能的传感器。一方面每个子系统在执行各自的任务时，都进行了优化，以达到最优性能。但另一方面，如果某些情况下子系统不需要工作，或者子系统发生故障，就会引入整个系统的效率低下甚至瘫痪。此外，各个子系统从各自的性能需求出发，单独优化设计，没有统一进行设计生产，未从全局思考问题，不利于成本的降低。

针对上述问题，Lockheed Martin公司提出了融合孔径架构(converge aperture architecture)的概念，即设计一种可以执行多个任务的传感器，并部署在战斗机的不同位置处，如下图所示。虽然单个器件的设计难度增加，但是元器件可以复用，不再需要为每个子系统单独设计器件，降低了系统的总成本。融合孔径架构中，系统中的每个天线与传感器都可以根据实际战场情况，进行动态配置，达到硬件资源的最大利用率。由于涉及到多个天线与传感器的信号互联，系统需要一个高速、低延迟的数据互联网络。因此，硅光互联成为了该系统的潜在解决方案。

无论是当前的筒仓式传感系统，还是下一代融合传感系统，都需要处理大量的数据。主要原因有两点，一方面，最新的防御系统已经开始使用毫米波，系统工作在更高的频率，另一方面，相控阵列(phase array)的数目增加，导致需要处理大量的并行数据。

下图为筒仓式传感系统的数据链路，系统中有多种孔径设计，针对特定任务或者特定系统功能，如下图中的EOIR1-4, RF1-4等。针对特定任务去优化单个传感器的指标，包括增益、噪声、动态范围、中心频率、工作波段和频率稳定性等，无需考虑其他任务的需求。每个传感器单独处理数据，再通过网络交换，实现与指挥系统的数据交互，指挥系统则根据收集到的数据进行进一步处理，发出指令。

而对于融合式传感系统，系统中只涉及两种类型的孔径，即EOIR和RF。这些孔径首先与网络交换芯片相连，进而将收集到的数据分发给对应的系统，进行数据处理，如下图所示。与筒仓式传感系统相比，系统中增加了一层网络交换，可以根据具体任务，灵活地进行传感器配置与数据交换。

将Ayar Labs的硅光互联芯片与其他传感芯片，封装在同一个package内，形成MCM(multi-chip module), 如下图所示。

Ayar Labs给出了采用硅光Optical IO前后的系统性能对比，如下图所示。系统数据的吞吐量(throughput)从300Gbps提高到2048Gbps, 提高了7倍；系统能效从15-25pJ/bit降低到3-5pJ/bit, 功耗下降为1/5；单颗芯片的面积从645mm^2减小到54mm^2, 降低了一个数量级。硅光互联的优势非常明显。

目前硅光技术的落地场景主要在高速光模块中，已经有相应的量产产品。对于其他应用，例如光计算、光传感、激光雷达等，大都还处于原型验证阶段，不够成熟。Ayar Labs将其Optical IO技术应用到军事传感系统中的数据互联，独树一帜。相比于数据中心，战斗机的工作环境更加严苛，对硅光互联系统的稳定性提出了新的要求。由于该技术应用涉及到军事与国防，有一定的保密性，不太确定后续是否会有更细节的进展报道。此外，相比于价格敏感的高速光模块，军事系统的成本裕量相对充足，性能与稳定性放在首位。