Ayar Labs与GUC完成CPO热协同仿真测试

  ICC讯  Ayar Labs与Global Unichip Corp.（GUC）近日完成共封装光学（CPO）热协同仿真测试。双方此前宣布战略合作，将CPO集成到GUC先进ASIC设计服务中，为下一代AI、HPC和网络应用提供高带宽、低延迟、高能效光互连。

  热管理已成为CPO在超大规模AI环境中成功部署的最关键领域之一。Ayar Labs与GUC联合对先进封装设计进行热协同仿真，确定了封装及后续芯片的热底图，涵盖风冷和液冷环境。Ayar Labs表示，协同仿真数据显示CPO可在先进多芯片封装的热包络内可靠运行，旨在为超大规模企业大规模部署CPO提供信心。

  新型多芯片封装设计实现超100 Tbps

  双方合作的新多芯片封装设计将Ayar Labs的TeraPHY™光引擎集成到GUC先进封装和ASIC工作流程中。该XPU MCP设计用Ayar Labs光引擎替代传统电互连，光引擎直接贴装到MCP有机基板上。该架构可从XPU封装提供超过100 Tbps的全双工光接口，比当前XPU提升超过一个数量级。

  UCIe-S在MCP基板上提供光引擎与I/O chiplet之间的带宽；UCIe-A用于I/O chiplet与主AI die之间通过局部硅互连桥的通信。

  完整封装尺寸为105mm x 140mm，包含：2个XPU（每个25.69mm x 32.40mm）、8个HBM4内存模块、4个I/O chiplet、8个TeraPHY光引擎（每个12.5mm x 13.0mm）。单封装超过3kW的功耗包络凸显了热管理的重要性，以及光引擎需与高功率AI处理器一起可靠运行的需求。该复杂多芯片架构采用9-2-9层基板结构处理复杂布线。

  设计还解决了大规模封装的信号和电源完整性问题。在XPU MCP层面进行热优化，加强件设计纳入光引擎要求，并实现可拆卸光纤连接，满足机械应力和翘曲要求。

  热协同仿真的重要性

  热协同仿真是对芯片电行为和热流的联合仿真，使设计人员能够预测真实工作条件下的温度、热点和可靠性问题，确保整个系统在所需温度规格内运行。在GUC热完整性设计流程中，团队考虑每个芯片的功率图，执行热串扰和动态热协同仿真，以确保MCP从早期到签核的热完整性，识别局部热点及热串扰对光引擎的影响。

  测试方法与结果

  双方进行了三项仿真：确定每个芯片组件的热阻目标分析，以及两种不同冷却方案的测试。

  3D VC散热器测试：测试标准空气翅片散热器，风速5 m/s和6 m/s、25ºC。该方案未满足规格，除I/O die外，所有组件温度显著超过规格。

  热阻分析：分析最大结温与热阻曲线，确定CoWoS-L先进封装和光引擎满足温度规格的合适热阻。当RSA-ASIC ≤ 0.008 K/W且RSA-OE ≤ 0.15 K/W时，系统级热解决方案成功满足规格。冷板设计实现这些目标，ASIC冷板压降11.2 kPa，光引擎冷板压降18.8 kPa。

  冷板测试：测试冲击型冷板热解决方案，流速4.5 LPM。该方案满足规格，所有组件均低于温度规格。选择冲击型冷板是因为其比传统平行通道设计能实现更高热通量去除。设计采用优化翅片尺寸（ASIC厚度0.15mm、高度2.4mm，光引擎高度3.0mm），热界面材料K=5.2 W/mK。

  关键结果

  - 确定各chiplet热签核约束的热阻设计目标：HBM4 < 95ºC，SoC < 125ºC，光引擎 < 100ºC。

  - 绘制热热点位置。

  - 证明传统空气散热器不适用于该方案。

  - 证明真实液冷设备满足所需规格。

  这些结果表明CPO部署取得重大突破：在单封装耗散超过3kW TDP（其中AI处理器占1500W）的情况下，光引擎成功保持在100ºC以下，显示CPO可在充足结温余量下可靠运行，为最苛刻热环境铺平道路。

  未来计划

  下一步将聚焦动态工作负载仿真，进一步分析真实工作条件下热对CPO的影响。本次测试基于静态功率假设，各组件功耗恒定。动态工作负载仿真将测试设计在更接近真实条件下的表现，帮助理解光学器件对突然温度变化的响应，确保系统高效运行。

  这些热协同仿真测试结果表明，CPO与适当冷却方案配合时，可在高功率AI系统中可靠运行。随着行业继续推动计算性能和热设计功耗边界，CPO将在克服带宽和功耗限制方面发挥重要作用。

  原文：https://ayarlabs.com/blog/ayar-labs-and-guc-complete-successful-thermal-co-simulation-testing-of-co-packaged-optics/