Avicena：基于GaN MicroLED阵列的芯片间短距光互连

在2025年的IEEE国际固态电路会议（ISSCC）上，Avicena Tech的Ehsan Afshari及其团队再次安利了基于MicroLED光学收发器在芯片到芯片（Die-to-Die，D2D）通信中的创新研究成果。以下是对该论文的详细分析与总结。 一、研究背景与动机

随着信息技术的飞速发展，芯片间的通信需求日益增长。传统的电子互连技术在面对高带宽、低延迟和低功耗的需求时，逐渐暴露出其局限性。Avicena认为长距传输类似于机场间的航线运输，关注路线规划、起降准时、航班容量等问题。而短距离的芯片间通信则类似于走路，更关心不花钱、不费力、不复杂。Avicena认为目前大家都在探索的将长距激光通信的技术用在短距场景等同于坐飞机去商场购物，属于大材小用，并不是最优路径，而μLED的走路买菜方式才是适合芯片间通信技术的黑科技。

二、μLED的技术优势 μLED技术作为一种新兴的光学显示技术，具有高亮度、高效率和低功耗等优点。与传统的长距离光纤通信技术相比，微LED更适合于芯片间的短距离通信。其主要优势包括： 1. 高密度并行通信：μLED可以实现大规模的并行数据传输，类似于2D图像中的像素并行传输，避免了串行通信中的数据拥塞问题。

2. 低功耗：μLED的驱动电流低，能够在高温度下稳定工作(235℃下4.5Gb/s传输没问题)，从而降低了整体的能耗。

3. 高可靠性：与激光器相比，μLED具有更高的可靠性，不受相干噪声和反射干扰的影响。

4. 低成本与可扩展性：μLED的制造工艺成熟，成本低，且易于大规模生产。巨量转移技术可以实现99.99％的高良率。

因此，相比激光通信技术，μLED无阈值、抗反射(无需隔离器、端面抗反膜)、不用考虑偏振和模式、无误码平层，而且速度不赖、成本又低、规模还大，可靠性也更好。

三、并行光学链路的设计与实现

（一）光学发射机（TX）的设计

研究团队采用了μLED阵列作为光源，每个μLED可以独立调制，实现高速数据传输。μLED的尺寸微小，通常在微米级别，这使得可以在有限的芯片面积上集成大量的μLED，从而实现高密度的并行数据传输。

在驱动电路方面，研究团队优化了μLED的驱动电流和调制速率。通过精确控制驱动电流，可以实现μLED的高速调制，同时保持较低的功耗。例如，研究中展示了14Gb/s的高速眼图，证明了μLED在高速通信中的潜力。此外，通过采用数字控制技术，可以实现对μLED阵列的精确控制，进一步提高了系统的可靠性和稳定性。

（二）光学接收机（RX）的设计

光学接收机的设计是实现高性能通信的另一个关键。研究团队提出了以下优化措施：

1. 蓝光光电探测器

采用蓝光探测器，能够在CMOS工艺中实现高灵敏度和低噪声的光电转换。蓝光的波长为425nm，这种波长的光在硅中的吸收深度较浅，因此可以在CMOS工艺中实现高灵敏度的光电探测器。此外，蓝光探测器的制造工艺成熟，成本低，且易于与CMOS电路集成。

2. 跨阻放大器（TIA）设计优化

通过优化TIA的前端FET电容和反馈电阻，能够有效降低噪声并提高信号增益。研究团队提出了一个优化设计点，即前端FET电容CI=0.3xCPD，这可以实现最佳的噪声性能和信号增益。

3. 数字偏移抵消

为了解决接收机中的直流偏移问题，研究团队提出了一种数字偏移抵消技术。通过数字积分器和数字增益控制（DGC），实现了对低频截止频率的精确调节，从而提高了接收机的性能。这种技术可以有效地消除直流偏移，提高信号的稳定性和可靠性。

（三）并行光学链路的能效提升

通过将串行链路转换为并行链路，研究团队实现了显著的能效提升。具体而言，并行链路中的每个通道运行在较低的比特率，从而降低了所需的带宽和功耗。同时，通过优化发射机和接收机的设计，进一步提高了系统的能效。例如，在并行发射机中，每个微LED的发射功率可以降低到原来的1/√N，而在并行接收机中，信号摆幅的增加使得后续放大器的增益需求降低。

四、测量结果与分析

研究团队前期在130nm CMOS SOI工艺下实现了μLED全双工光学链路的原型芯片。实验结果表明，PD响应度为0.17A/W，尺寸仅为225μm2，低频截止频率为13Hz。收发链路在2Gbps的传输速率下，总功耗仅为0.5pJ/bit，展示了其在低功耗高速通信中的优势。此外，通过眼图和误码率（BER）测试，测得误码率为1e-12，验证了链路的可靠性和稳定性。

最新的进展是在台积电的16nm工艺平台加工了用于304阵列、50um间距的μLED和PD的IC芯片，IC芯片集成了BERT功能、Rx监测优化的OEM以及OHBI D2D接口。将阵列光芯片bonding上去以后，集成了微透镜提高光纤耦合效率，单通道通信速率4Gbps，总速率达到1.2Tbps，能量效率同样＜1pJ/bit。

五、总结与展望

微LED技术在芯片间通信中的应用展示了其巨大的潜力。通过并行光学链路的设计，不仅提高了通信的带宽和能效，还降低了系统的复杂性和成本。未来，随着μLED制造工艺的进一步成熟和优化，其在高性能计算、人工智能等领域的应用前景将更加广阔。