關鍵要點：
光電子技術能夠以更低能耗加速數據傳輸，但其熱效應、變形及其他應力問題需要提前充分理解。
理解多晶片組件相關的瞬態行為
十分複雜，但這為更精細化的性能與熱優化打開了大門。
目前業界仍缺乏能夠準確預測熱加速老化的工具。
專家圓桌：Semiconductor Engineering 邀請多位專家，就光電子技術面臨的熱效應、瞬態行為以及系統可靠性問題展開討論，參與者包括新思科技產品管理總監 Lang Lin、Silvaco 業務發展副總裁 Jack Berg、Vinci 半導體與電子業務負責人 Satish Radhakrishnan、是德科技 EDA 新市場管理總監 Chris Mueth，以及西門子 EDA 產品管理高級總監 John Ferguson。以下內容節選自近期在設計自動化大會（DAC）閉門會議上的對話，這是三部分系列報道的第二篇，第一篇內容見此處。
記者：數據移動需要消耗電力，進而產生熱量。那麼我們該如何在保持數據流動的同時控制在功耗預算之內？光電子技術是否是解決方案？即便採用光電子技術，熱問題依然存在。
Mueth：光電子技術在緩解數據中心瓶頸方面潛力巨大，但目前還無法大規模擴展。構建一個大型網狀交換結構需要大量元件，並伴隨高損耗。因此必須重新審視光電子系統的整體架構，可能需要採用模組化、可擴展的新方式。另一個問題是熱敏感性，必須加以穩定。但即便如此，光電子結構中仍需要加熱器來進行控制。如果是大型網狀交換結構，所需的控制量將非常可觀。那麼，當晶片中可能存在數千個加熱器需要控制時，該如何校準這些結構以獲得足夠的性能？如果能解決這個問題，情況會有所改善。但這仍無法消除光電子晶片本身的損耗問題，這需要通過模組化、可擴展的架構來解決。
記者：這就引出了另一個問題，即不再只處理單一類型的處理單元。從GPU切換到CPU會發生什麼？二者產生的熱量是否相同？當面對高強度、短時的工作負載時，情況又有何不同？如何讓整個系統保持一致的溫度？
Radhakrishnan：共封裝光學（CPO）正在嘗試解決這個問題，一定程度上將矽光子器件集成到封裝內，使電子集成電路（EIC）和光子集成電路（PIC）保持小型化，並嘗試對其進行熱隔離。但如果要對整個系統進行仿真，缺失的部分將是瞬態特性，而這恰恰是最需要的。如果把某個元件放得較遠，熱量傳遞到那裡需要更長時間，等到下一波熱量在ASIC上產生時，之前的熱量可能還未散去。即便是很小的溫度變化，也可能導致環形振盪器發生偏移。真正需要的是能夠在瞬態域中對整個系統進行聯合仿真，以確保其在光學和功能上都能可靠運行。能夠在瞬態域中模擬系統的某一部分，是確保共封裝光學方案可行並能夠推進發展的關鍵。
Mueth：這一點說得很好。時間常數的差異確實會帶來很大幹擾。如果採用共封裝光學方案，EIC驅動器通常會安裝在PIC附近或其上方，這會帶來熱污染，進而影響光電子器件的性能。這相當於引入了新的應力，而這些應力對光信號的影響可能比熱效應更大。必須清楚這些權衡關係，並確保在設計中充分考慮，才能真正做到兩者兼顧。僅僅是移動某個元件的位置，也可能適得其反。
記者：那又該如何確保熱傳感器始終正常工作？
Mueth：這可以在校準過程中實現。可以在光子PIC內部放置一個探測迴路，但這會讓整個系統變得異常複雜。
Ferguson：我們可以嘗試移動某些元件來減少局部熱量堆積。但當移動較大的元件時，尤其是在光電子系統中，會引入新的應力。這些應力對光信號的影響可能比熱效應更大，因此必須了解這些權衡關係，並在設計中充分考慮，才能實現兩者的最佳結合。
Lin：對於矽光子技術，可以將其視為一種模擬電路。在處理模擬與數字電路時，熱行為存在很大差異。數字電晶體涉及電流開關，電流用於支持電晶體的開和關，因此焦耳熱效應並不嚴重。但對於矽光子器件和模擬器件而言，直流電流始終存在，且信號擺幅很大，這會在互連結構（例如波導）中產生電流流動，進而產生大量熱量。而這種熱量對於共封裝光學的正常運行是必需的，用於驅動EIC工作。但如果有大量加熱器聚集在一起，又該如何布局，才能讓它們彼此保持足夠距離以正常工作，同時又不在加熱區域內形成熱點？應力也是矽光子器件良好運行必須考慮的另一個問題。
記者：熱量會導致晶片變形。如果將兩個變形的晶片貼合在一起，而它們都很薄，也許可以把它們壓平，但與此同時，由於晶片變薄，散熱能力可能也隨之下降，是這樣嗎？
Berg：PIC晶片上的熱變化通常會導致特徵結構失配，程度遠高於EIC電路。如果談到與EIC相關的多物理場仿真、數字孿生和代理模型，那麼在光子集成電路中，這種需求基本上要翻三倍，因為它們對變形和熱梯度要更為敏感。雷射器本身就是一個熱源，可能帶來可靠性問題。因此，光電子技術不僅需要對熱效應有深入理解，還需要進行多物理場的綜合驗證，涵蓋電學、機械、熱學以及光學特性。這意味著可能需要同時運用四種求解器。這比純電子系統要複雜得多，這也是為什麼在過去三十年裡，光電子技術一直被視為半導體行業"下一個重大突破"的原因——從物理層面看，它比任何人預想的都要複雜得多。
Mueth：傳統上，我們關注的是半導體中的熱問題，往往忽略了無源元件。而現在，隨著光電子技術的發展，無源元件也會受到熱效應的影響。
記者：在一個晶片封裝內可能包含多個裸片，因為單一裸片無法滿足所需性能，尤其是在AI數據中心場景下。那麼該如何協調封裝內不同裸片之間的工作，避免所有裸片始終處於滿負荷運行狀態？
Berg：這一點必須非常謹慎處理。
記者：這是一個複雜的協同調度問題，對吧？而且需要具備分層特性。
Mueth：沒錯，在進行架構設計時，必須對熱特性進行建模。其中一個極端情況是："高性能使用場景是什麼樣的？"必須從熱學、電學和機械角度對這些場景進行建模，這樣在設計後期才有更高的成功概率。但這種建模工作必須在前期就完成。
Ferguson：你可以單獨對每個變量進行建模，但這樣無法得到完整的全局結果。必須將這些因素依次串聯進行仿真，也就是說，需要反覆多次、一個接一個地運行仿真，直到達到穩態。然後再期望這個穩態結果是正確的，而這取決於具體設計的內容。
Radhakrishnan：如果觀察AI晶片的發展方向，可以看到它們正從訓練轉向推理應用，並致力於提升頻寬。這正是推動晶片堆疊的驅動力，而這種堆疊會影響晶片行為。業界希望理解推理場景下的具體行為特性。但這不僅僅關乎峰值性能。瞬態情況下溫度會升高到什麼程度？如果某個峰值只持續一納秒，是否就有更多餘量去承受更高功耗？但這樣的納秒級峰值是每毫秒出現一次，還是每微秒出現一次？允許峰值功耗出現的頻率是多少？又能在多大程度上利用熱預算的餘量，讓數據中心的設計人員制定設計規則，例如"對於推理場景，每100毫秒允許出現一次毫秒級脈衝"？這是一個全新的範式，當人們面對不同應用場景時可以加以利用。而這一切都取決於最終用戶的需求，以及他們希望如何實現所需的最大性能。
Lin：回到關於分層模型的問題，這類模型不僅對於提升AI晶片熱仿真能力至關重要，也有助於構建一個生態系統，讓不同供應商以分層方式提供各自的模型。例如，HBM供應商需要為HBM晶片提供某種模型，再將其提交給系統集成廠商，由後者整合不同模型，構建完整的多晶片堆疊結構並進行熱仿真。首先，他們需要考慮供應商模型對熱特性的影響；其次，需要完成整個系統的最終集成——他們是產品交付的最終環節，必須確保所有模型都正確連接、組裝，並對整個系統進行仿真。因此，分層模型是必不可少的，這不僅僅是出於仿真容量的考慮。目前業界正在推進這項工作，我們需要整個生態系統共同提供模型，並就標準達成一致，這樣每個參與方才能共享各自的模型，集成商才能將其有效整合。
記者：數據中心的一大隱憂是由電遷移導致的數據路徑老化，而這一過程會因熱效應而加速。這對整體設計流程有何影響？
Radhakrishnan：我注意到越來越多的晶片中嵌入了熱傳感器，用於監測老化情況。這些傳感器必須部署在晶片上，以便確定隨時間推移的性能退化程度，進而對晶片的部分區域進行限頻處理。但由於整個系統都已封裝完成，這項工作必須通過軟體獲取傳感器反饋資訊來實現，然後據此判斷可以做出哪些調整。在汽車領域，這一問題更為突出，因為車規晶片需要使用10到15年。因此需要通過仿真來確定傳感器的放置位置是否合理，是否能夠獲取到正確的反饋資訊，從而確保晶片在使用環境發生變化時依然能夠正常運行。必須具備全面捕捉這些數據的能力，這正是各家公司正在努力的方向。
記者：這種情況會因環境溫度不同而有所差異嗎？
Berg：是的，尤其是在沙烏地阿拉伯這類地區。一個簡單的經驗法則是阿倫尼烏斯方程：溫度每升高10攝氏度，可靠性都會大幅下降。準確把握這一點非常重要。
Lin：但我沒有看到業界有多少工具能夠準確預測熱致老化效應，這是一個明顯的空白。我們需要相應的工具，匹配正確的方程來預測老化效應，並探索如何加以緩解。傳感器是監測老化效應的一種手段，但在設計優化層面，目前的進展如何？目前還沒有人真正針對老化感知的設計優化開展相關工作。
Radhakrishnan：這本質上是一個設計不足或設計過度的問題。因此，理想情況下，這種設計應該是隨時間動態調整的，而這正是一個巨大的挑戰。
本文為該系列討論的第二部分，第一部分內容請參見：《從電晶體到數據中心的熱分析擴展》——探討不斷上升的功率密度與晶片複雜度如何推動熱管理考量在設計流程中前置。
Q&A
Q1：共封裝光學技術面臨哪些主要挑戰？
A：共封裝光學技術主要面臨熱敏感性和瞬態行為的挑戰。由於EIC驅動器通常安裝在PIC附近，會產生熱污染並引入新的機械應力，這些應力對光信號的影響可能比熱效應本身更大，需要進行多物理場聯合仿真才能確保系統可靠運行。
Q2：為什麼矽光子器件比普通數字晶片更難處理熱問題？
A：因為矽光子器件屬於模擬器件，直流電流始終存在且信號擺幅很大，會在波導等互連結構中產生持續熱量，而數字電晶體只在開關時產生電流，發熱相對較小。此外，矽光子器件對變形和熱梯度的敏感度也遠高於普通電子電路。
Q3：目前業界在預測晶片熱致老化方面存在哪些不足？
A：目前業界缺乏能夠準確預測熱致老化效應的工具，這是一個明顯的技術空白。雖然可以通過嵌入式熱傳感器監測老化情況，但在老化感知的設計優化層面，目前還沒有成熟的解決方案。
