解救 AI 資料中心高耗電瓶頸，清大團隊開發「四階脈衝振幅調變傳收機」
AI 應用場景暴增正帶動資料中心傳輸量與日俱增，而目前資料中心廣泛使用傳統插拔式光模組做為光電轉換元件，隨速率提升會產生極大營運成本（耗電）。為解決此痛點，清大研究團隊成功開發出「四階脈衝振幅調變（Pulse Amplitude Modulation，PAM-4）傳收機」，透過矽光子技術高度整合光電元件，取代傳統體積龐大且耗電的插拔式模組，有效縮短訊號傳輸距離並降低能量損耗。
傳統 AI 資料中心以銅導線為主要傳輸媒介，已面臨頻寬受限、高耗能、高延遲瓶頸，因此新一代 AI 資料中心正全面轉向光學互連核心。其中，插拔式（Pluggable）光模組是目前資料中心乙太網路交換器廣泛使用的光電轉換元件，可以在設備運作狀態下直接插入或移除，實現光纖與網路交換器間的連接。
光速運算時代
然而傳統插拔式光模組體積大，且距離交換器核心晶片較遠，傳輸過程往往導致訊號衰減，需額外電路補償而產生極大營運成本，於是將光學晶片（傳輸光訊號）、電子晶片（如邏輯晶片）直接封裝在同一個基板上的共同封裝光學（CPO），成為應對 AI 運算時代下資料中心高功耗與傳輸延遲挑戰的救星，藉由縮短資料傳輸距離以達到提升速率並大幅省電效果。
由清華大學電機工程學系彭朋瑞副教授、謝秉璇副教授、電子工程研究所劉怡君副教授、國研院台灣半導體研究中心林銘偉博士組成的研究團隊，在「關鍵新興晶片設計研發計畫」支持下，結合 CPO 模組成功開發「四階脈衝振幅調變（Pulse Amplitude Modulation，PAM-4）傳收機」，單通道傳輸速率可達 100Gb/s，有望取代傳統插拔式進行光電轉換的傳輸架構，滿足更高傳輸速率與更低功耗需求。
彭朋瑞副教授解釋，PAM-4 傳收機將傳送訊號由傳統 2 種振幅提升至 4 種振幅輸出，能使資料傳輸量提升 2 倍，但為準確解調 4 種不同振幅訊號，接收端電路架構相對複雜，因此團隊設計出創新 PAM-4 接收機，核心概念為善用低解析度類比數位轉換器，實現高速資料的取樣與解調。
以成熟製程挑戰先進製程
該技術優勢在於使用 28 奈米成熟製程即可達國際大廠 7 奈米先進製程性能，功耗僅多出 10～20%，若將此架構導入先進製程，功耗可望減半，展現極強產業競爭力。
為縮短光電晶片之間距離，團隊還以 100Gb/s 電傳收機晶片為核心，採取覆晶封裝技術將電晶片直接翻轉黏合在光晶片的 CPO 模組，與傳統插拔式光模組相比，CPO 模組帶來高度積體化設計，縮減系統傳輸距離，有效提升頻寬及降低功率消耗。
彭朋瑞表示，目前除產學合作也有廠商洽談技術轉移，相關技術未來很有機會進一步落地產業界。
▲ 清大、國研院研究團隊合影。
（圖片來源：科技新報）