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패키징된 광학소자의 열 공동 시뮬레이션 테스트

SemiEngineering · 2026.10.15 16:01 · 원문 사이트
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다중 칩 패키지 내에서 고출력 AI 프로세서와 함께 광 엔진이 신뢰성 있게 작동할 수 있도록 보장한다. 블라디미르 스토자노비치와 이고르 엘카노비치 글 코패키지 옵틱스(CPO)의 혁명이 우리 앞에 다가왔다. 그러나 데이터센터 인터커넥트를 전환하려면 아키텍처, 전력 공급, 기계 설계 및 열 관리 분야에서 새로운 과제를 극복해야 한다. 이 중 열 관리는 초대규모 AI 환경에서 CPO를 성공적으로 도입하기 위해 가장 중요한 영역 중 하나로 부상했다. 열 불안정은 CPO 기술의 우려 사항이었다. 아야르 랩스(Ayar Labs)와 글로벌 유니칩 코퍼레이션(GUC)은 공동으로 고급 패키지 설계에 대한 열 공동 시뮬레이션을 수행했으며, 공기 냉각 및 액체 냉각 환경을 포함한 패키지와 후속 칩렛의 열 바닥 지도(thermal floor map)를 결정했다. 마이크로 링 기반 CPO의 경우 열 안정성이 우려 사항으로 제기되었으므로, 우리는 이를 정면으로 해결하고자 한다. 우리의 공동 시뮬레이션 데이터는 CPO가 고급 다중 칩 패키지의 열 한계 내에서 신뢰성 있게 작동할 수 있음을 보여준다. 우리는 초대규모 기업들이 대규모로 CPO를 도입할 수 있도록 자신감을 갖도록 하기 위해 이러한 결과를 공유한다. 아야르 랩스의 TeraPHY 광 엔진을 GUC의 고급 패키징 및 ASIC 워크플로우에 통합한 새로운 다중 칩 패키지(MCP) 설계부터 시작해보자. 새로운 XPU MCP 설계는 전통적인 전기적 인터커넥트를 아야르 랩스의 광 엔진으로 대체하며, 이 광 엔진들은 MCP 유기 기판에 직접 부착된다. 이 아키텍처는 XPU 패키지에서 100Tbps 이상의 풀듀플렉스 광 인터페이스를 가능하게 하며, 이는 현재 XPU 대비 10배 이상 향상된 것이다. UCIe-S는 MCP 기판을 통해 광 엔진과 I/O 칩렛 간 대역폭을 제공한다. 반면 UCIe-A는 로컬 실리콘 인터커넥트(LSI) 브리지를 통해 I/O 칩렛과 메인 AI 다이 간 통신에 사용된다. 이 설계의 규모는 우리가 해결해야 할 열적 도전을 만들어낸다. 전체 패키지는 105mm x 140mm 크기로 다음을 수용한다: - 2개의 XPU (각각 25.69mm x 32.40mm) - 8개의 HBM4 메모리 모듈 - 4개의 I/O 칩렛 - 8개의 TeraPHY 광 엔진 (각각 12.5mm x 13.0mm) 단일 패키지 내 +3kW 전력 한계는 열 관리의 중요성과 고출력 AI 프로세서와 함께 광 엔진이 신뢰성 있게 작동해야 하는 필요성을 강조한다. 이 복잡한 다중 칩 아키텍처는 정교한 패키징을 요구한다. 이 설계는 복잡한 배선 요구사항을 처리하기 위해 9-2-9 레이어 기판 구조를 사용한다. 이 설계는 대규모 패키지와 관련된 신호 및 전력 무결성 문제도 해결한다. 우리는 XPU MCP 수준에서 열 최적화를 수행하며, 강성재(stiffener) 설계는 광 엔진의 요구사항을 반영하고 기계적 응력 및 뒤틀림 요구사항을 충족하는 분리형 섬유 연결을 가능하게 한다. 열 공동 시뮬레이션은 칩 전반에 걸친 전기적 거동과 열 흐름의 결합된 시뮬레이션이다. 이는 설계자가 실제 작동 조건 하에서 집적 회로(IC) 및 패키지의 온도, 핫스팟 및 신뢰성 문제를 예측할 수 있게 한다. 이 데이터는 전체 시스템이 필요한 온도 사양 내에서 작동함을 보장한다. 이는 성공적인 도입을 위해 중요하다. GUC의 열적 무결성 설계 흐름에서는 모든 칩의 전력 맵을 고려하여 열 크로스톡 및 동적 열 공동 시뮬레이션을 수행함으로써 초기 단계부터 최종 검증 단계까지 MCP의 열적 무결성을 보장합니다. 이를 통해 국부적인 열 핫스팟과 열 크로스톡이 광 엔진에 미치는 영향을 식별할 수 있습니다. 열 공동 시뮬레이션은 GUC의 고급 ASIC 워크플로우에서 매우 중요합니다. 우리의 공동 분석에서 MCP는 인접한 칩렛 다이 간의 열 크로스톡을 분석하기 위해 여러 칩렛을 포함합니다. 전체 인터포저 복합체에서 발생하는 모든 열은 광 엔진의 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 광 엔진 성능을 최적화하기 위해서는 열 모델링이 필요합니다. 이 공동 기술 실험은 실제 고객 패키지 폼 팩터에서 전체 CPO 열 안정성을 평가하기 위해 의도적으로 열 핫스팟과 열 크로스톡을 조사합니다. 어려운 질문을 피하는 대신, 우리는 시뮬레이션을 설계하여 시스템에 스트레스를 가하고 잠재적인 우려 사항을 모두 드러냈습니다. 이러한 발견들은 AI 서버 및 스위치 애플리케이션을 위한 최적의 냉각 솔루션을 설계하기 위해 생태계 파트너와 협력하며 가장 까다로운 열 설계 전력(TDP) 수준에서 고급 패키징 설계를 평가하는 데 귀중한 정보를 제공합니다. 이 테스트는 바로 그 목적을 달성할 수 있게 해줍니다. 우리는 세 가지 시뮬레이션을 수행했습니다: 각 칩 구성 요소에 대한 열 저항 목표치를 결정하기 위한 분석과 두 가지 다른 냉각 솔루션의 테스트입니다. 하나의 솔루션은 사양을 충족했고, 다른 하나는 충족하지 못했습니다. 우리는 25ºC 온도에서 공기 속도 5m/s 및 6m/s에서 표준 공기 핀 히트싱크를 테스트했습니다. 그림 1: 히트싱크를 사용한 GUC + Ayar Labs CoWoS-L CPO 시뮬레이션. 이 솔루션은 I/O 다이를 제외한 모든 구성 요소의 온도가 사양을 크게 초과했기 때문에 사양을 충족하지 못했습니다. 우리는 칩 온 웨이퍼 온 서브스트레이트 로컬 실리콘 인터코넥트(CoWoS-L) 고급 패키징 및 광 엔진이 온도 사양을 충족할 수 있는 적절한 저항을 결정하기 위해 최대 접합 온도와 저항 곡선을 분석했습니다. 그림 2: GUC + Ayar Labs CoWoS-L CPO 열 저항(Rsa) 분석. 시스템 레벨 열 솔루션은 RSA-ASIC이 ≤ 0.008 K/W이고 RSA-OE가 ≤ 0.15 K/W일 때 사양을 성공적으로 충족합니다. 콜드 플레이트 설계는 ASIC 콜드 플레이트의 경우 11.2 kPa, 광 엔진 콜드 플레이트의 경우 18.8 kPa의 압력 강하로 이러한 목표를 달성합니다. 이는 열 성능을 유지하면서 효율적인 냉각제 유동을 보장합니다. 마지막으로, 우리는 4.5 LPM에서 임피지먼트 타입 콜드 플레이트 열 솔루션을 테스트했습니다. 그림 3: 콜드 플레이트를 사용한 GUC + Ayar Labs CoWoS-L CPO 시뮬레이션. 이 솔루션은 사양을 충족했습니다. 모든 구성 요소가 온도 사양 아래에 있었습니다. 우리는 이 애플리케이션에 임피지먼트 타입 콜드 플레이트를 선택했는데, 이는 기존 병렬 채널 설계보다 더 높은 열 플럭스 제거를 가능하게 하기 때문입니다. 이 설계는 필요한 열 성능을 달성하기 위해 최적화된 핀 치수(두께: 0.15mm, 높이: ASIC의 경우 2.4mm, 광 엔진의 경우 3.0mm)와 열 인터페이스 재료(K=5.2 W/mK)를 사용합니다. 이 접근 방식은 여러 고전력 칩렛에서 집중된 열을 효과적으로 방산하면서 광 엔진을 작동 온도 한계 내에 유지합니다. 주요 결과 - 각 칩렛에 대한 열 서밋 제약 조건을 위한 열 저항 설계 목표치 결정: - HBM4 < 95ºC - SoC < 125ºC - 광 엔진 < 100ºC - 열 핫스팟의 위치를 매핑했습니다. - 전통적인 공기 히트싱크가 이 솔루션에 적합하지 않음을 보였습니다. 실제 환경의 액체 냉각 장치가 필요한 사양을 충족함을 입증했습니다. 이러한 결과는 CPO(공동 패키징 광학소자)의 상용화에 있어 중요한 돌파구를 제시합니다. 단일 패키지에서 3kW 이상의 TDP(열 설계 전력)를 방출하면서도(그중 AI 프로세서에서만 1,500W 발생) 광 엔진 온도를 100ºC 미만으로 유지하는 데 성공함으로써, CPO가 충분한 접합 온도 여유를 가지고 신뢰성 있게 작동함을 보여주었습니다. 이는 가장 열악한 열 환경에서도 적용 가능한 길을 열었습니다. 우리의 다음 단계는 실제 운영 조건 하에서 CPO에 미치는 열적 영향을 더 깊이 분석하기 위해 동적 워크로드 시뮬레이션에 집중할 것입니다. 우리가 이번에 공개한 테스트는 각 구성 요소의 전력 소비가 일정하게 유지된다는 정적 전력 가정 하에 수행되었습니다. 시스템은 대기 상태에서 부하가 증가하며, 학습이나 부팅 중에는 급격한 전력 소모가 발생하고, 정상 운영 중에는 사용자 수요에 따라 변동합니다. 대규모 사용자 수는 열 스파이크(급격한 온도 상승)를 유발할 수 있습니다. 동적 워크로드 시뮬레이션을 통해 우리는 실제 환경과 더 유사한 조건에서 설계를 테스트할 수 있습니다. 이를 통해 광학 소자가 갑작스러운 온도 변화에 어떻게 반응하는지 이해하고, 시스템이 효율적으로 작동하도록 보장할 수 있습니다. 이러한 열 공동 시뮬레이션 테스트 결과는 적절한 냉각 솔루션과 결합될 때 CPO가 고출력 AI 시스템에서 신뢰성 있게 작동할 수 있음을 보여줍니다. 산업계가 컴퓨팅 성능과 열 설계 전력의 한계를 계속 넓혀가는 가운데, CPO는 대역폭과 전력의 한계를 극복하는 데 중요한 역할을 할 것입니다. 이고르 엘카노비치는 GUC의 최고기술책임자(CTO)입니다. 태그: 고급 패키징, Ayar Labs, 공동 패키징 광학소자, CPO, 글로벌 유니칩 코퍼레이션, 멀티 칩 어셈블리, 열, 열 시뮬레이션
📄 원문 (English)
Ensuring optical engines can operate reliably alongside high-power AI processors in multi-chip packages. By Vladimir Stojanovic and Igor Elkanovich The CPO revolution is at our doorstep. But transforming data center interconnects requires overcoming new challenges in architecture, power delivery, mechanical design, and thermal management. Of these, thermal management has emerged as one of the most critical areas for successfully deploying co-packaged optics (CPO) in hyperscale AI environments. Thermal instability has been a concern for CPO technology. Ayar Labs and Global Unichip Corp. (GUC) jointly conducted thermal co-simulation of the advanced package design and determined the thermal floor map for the package and subsequent chiplets, including air- and liquid-cooled environments. Since thermal stability has been raised as a concern for micro-ring-based CPO, we want to address it head-on. Our co-simulation data show that CPO can operate reliably within the thermal envelope of advanced multi-chip packages. We’re sharing these results to give hyperscalers the confidence to move forward with CPO deployments at scale. Let’s start with the new multi-chip package (MCP) design that integrates Ayar Labs’ TeraPHY optical engines into GUC’s advanced packaging and ASIC workflow. The new XPU MCP design replaces traditional electrical interconnects with Ayar Labs’ optical engines, which are attached directly to the MCP organic substrate. This architecture enables a full-duplex optical interface of more than 100 Tbps from the XPU package, an improvement of more than an order of magnitude over current XPUs. UCIe-S provides bandwidth between the optical engines and the I/O chiplets over the MCP substrate. UCIe-A, on the other hand, is used for communication between the I/O chiplet and the main AI die over local silicon interconnect (LSI) bridges. The scale of this design creates thermal challenges we must address. The complete package measures 105mm x 140mm, housing: - 2 XPUs (25.69mm x 32.40mm each) - 8 HBM4 memory modules - 4 I/O chiplets - 8 TeraPHY optical engines (12.5mm x 13.0mm each) The +3 kW power envelope in a single package underscores the importance of thermal management and the need for optical engines to operate reliably alongside high-power AI processors. This complex multi-chip architecture requires sophisticated packaging. The design uses a 9-2-9 layer substrate structure to handle the complex routing requirements. The design also addresses signal and power integrity challenges associated with the large-scale package. We perform thermal optimization at the XPU MCP level, while a stiffener design incorporates optical engines’ requirements and enables detachable fiber connections that meet mechanical stress and warpage requirements. Thermal co-simulation is the combined simulation of electrical behavior and heat flow across a chip. It lets designers predict temperatures, hotspots, and reliability issues in integrated circuits (ICs) and packages under realistic operating conditions. The data ensures the entire system operates within required temperature specifications. This is critical for successful deployment. In GUC’s thermal integrity design flow, we consider every chip’s power maps and perform thermal crosstalk and dynamic thermal co-simulation to ensure the MCP’s thermal integrity from early-stage through sign-off. This allows us to identify local thermal hotspots and the impact of thermal crosstalk on the optical engine. Thermal co-simulation is crucial for GUC’s advanced ASIC workflows. In our joint analysis, the MCP includes multiple chiplets to analyze thermal crosstalk between adjacent chiplet dies. Any heat generated by the entire interposer complex may affect the optical engine’s performance. Thermal modeling is needed to optimize optical engine performance. This joint technical exercise deliberately probes thermal hotspots and thermal crosstalk to evaluate overall CPO thermal stability in a realistic customer package form factor. Rather than avoiding the hard questions, we designed the simulation to stress the system and raise any potential concerns. These findings are invaluable for assessing advanced packaging designs and collaborating with ecosystem partners to design optimal cooling solutions for AI server and switch applications at the most demanding Thermal Design Power levels. This testing allows us to do just that. We performed three simulations: an analysis to determine thermal resistance targets for each chip component, plus testing of two different cooling solutions. One solution met spec, and one did not. We tested a standard air fin heatsink at airspeeds of 5 m/s and 6 m/s at 25ºC. Fig. 1: GUC + Ayar Labs CoWoS-L CPO simulation using heatsink. This did not meet spec, as the temperature significantly exceeded spec for all components except the I/O die. We analyzed the maximum junction temperature versus resistance curve to determine suitable resistance for the Chip-on-Wafer-on-Substrate with Local Silicon Interconnect (CoWoS-L) advanced packaging and optical engine to meet the temperature spec. Fig. 2: GUC + Ayar Labs CoWoS-L CPO Thermal Resistance (Rsa) analysis. The system-level thermal solution successfully meets the specification when RSA-ASIC is ≤ 0.008 K/W and RSA-OE is ≤ 0.15 K/W. The cold plate design achieves these targets with pressure drops of 11.2 kPa for the ASIC cold plate and 18.8 kPa for the optical engine cold plate. This ensures efficient coolant flow while maintaining thermal performance. Finally, we tested an impingement-type cold plate thermal solution at 4.5 LPM. Fig. 3: GUC + Ayar Labs CoWoS-L CPO simulation using cold plate. This solution did meet spec. All components were below the temperature specifications. We selected the impingement-type cold plate for this application because it enables higher heat flux removal than conventional parallel-channel designs. The design uses optimized fin dimensions (thickness: 0.15mm, height: 2.4mm for the ASIC and 3.0mm for the optical engine) with thermal interface materials (K=5.2 W/mK) to achieve the required thermal performance. This approach effectively dissipates the concentrated heat from multiple high-power chiplets while maintaining the optical engines within their operational temperature limits. Key Results - Determined the thermal resistance design targets for each chiplet for thermal sign-off constraints: - HBM4 < 95ºC - SoC < 125ºC - Optical Engine < 100ºC - Mapped the location of thermal hotspots. - Showed that a traditional air heatsink does not work for this solution. - Demonstrated that a real-world liquid cooling device meets the specifications needed. These results point to a significant breakthrough in CPO deployment. Successfully maintaining optical engines under 100ºC while dissipating over 3kW TDP from a single package (with 1,500W coming from the AI processors alone) shows that CPO operates reliably with ample junction-temperature headroom, paving the way for the most demanding thermal environments. Our next step will focus on dynamic workload simulation to further analyze thermal impact on CPO under real-world operating conditions. The tests we’ve shared here were based on static power assumptions, where each component’s power consumption remains constant. Systems ramp up from idle, spike during training or booting, and fluctuate based on user demand during normal operations. Large numbers of users can cause heat spikes. A dynamic workload simulation will allow us to test our design under conditions more accurate to the real world. This will help us understand how the optics respond to sudden temperature changes and ensure the systems operate efficiently. These thermal co-simulation test results demonstrate that CPO can operate reliably in high-power AI systems when paired with appropriate cooling solutions. As the industry continues to push the boundaries of compute performance and thermal design power, CPO will play a significant role in overcoming bandwidth and power limitations. Igor Elkanovich is the CTO of GUC. Tags: advanced packaging Ayar Labs co-packaged optics CPO Global Unichip Corp multi-chip assembly thermal thermal simulation
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