不只拚晶片算力！清大團隊PAM-4傳輸機讓AI資料像搭高鐵

記者黃仁杰／台北報導

AI時代不只考驗晶片會不會算，更考驗資料能不能送得夠快、夠省電。隨著大型語言模型、生成式AI與資料中心規模持續擴大，伺服器之間每天都在交換海量資料，傳統仰賴銅線與電訊號的傳輸方式，逐漸面臨頻寬不足、延遲提高與耗電增加等瓶頸。國科會「關鍵新興晶片設計研發計畫」支持的清大團隊成功開發「四階脈衝振幅調變（PAM-4）傳收機」，提供更低耗高功的解決方案。

國科會13日發布學術成果並進行報告，由國立清華大學電機工程學系副教授彭朋瑞領軍，與清大副教授謝秉璇、劉怡君，以及國研院台灣半導體研究中心博士林銘偉合作，成功開發「四階脈衝振幅調變（PAM-4）傳收機」。這項技術結合共封裝光元件（CPO）模組後，單通道傳輸速率可達100Gb/s，未來有望取代目前資料中心常見的傳統插拔式光模組架構，滿足更高速、更低功耗的資料傳輸需求。

所謂PAM-4，就如同一條路一次載更多資訊。傳統PAM-2訊號只有高、低兩種電壓狀態，一次符號只能代表1個位元；PAM-4則把訊號切成4種不同電壓狀態，讓一個符號可以帶2個位元，等於在不大幅增加通道數的情況下，把資料傳輸效率提高。但4種電壓狀態彼此更接近，接收端必須更精準分辨訊號，電路設計也更複雜。

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清大團隊的突破，在於提出新的PAM-4接收機架構，善用低解析度類比數位轉換器，完成高速資料取樣與解調。更關鍵的是，團隊在28奈米製程下，就做出可與國外高速晶片公司在7奈米以下製程實現的100Gb/s傳收機相當的效能，未來若走向商業應用，可能具備成本與量產彈性優勢。

除了傳收機本身，這項成果也瞄準下一代資料中心的核心技術矽光子與CPO。矽光子是把光學元件整合進矽晶片，讓資料不只靠電流傳輸，而是改用光訊號傳遞；相較傳統電子訊號，光訊號具備高頻寬、低功耗與低延遲優勢，特別適合AI資料中心、乙太網路交換器與高速通訊應用。

目前資料中心廣泛使用的插拔式光模組，雖然部署彈性高，但隨著速率從400G、800G繼續往上推進，功耗會快速增加。CPO則是把光晶片與電子晶片直接封裝在同一基板上，縮短訊號傳輸距離，降低中間轉換與傳輸損耗。簡單說，過去光電轉換像是外接設備，現在則是把光引擎更靠近運算核心，讓資料少繞路、跑更快，也更省電。

團隊也已完成100Gb/s電傳收機晶片與矽光子載板的整合，透過異質整合封裝技術開發CPO模組，並開發可達100Gbps電光轉換的矽基微環調變器，以及頻寬大於50GHz的高速光偵測器。相關成果也已在國際固態電路研討會ISSCC展示，關鍵技術累積取得6件美國發明專利與8件中華民國發明專利。

AI資料中心未來不只需要更強GPU、ASIC與記憶體，也需要更高速、更低耗能的「資料高速公路」。清大團隊此次開發的PAM-4傳收機與CPO整合技術，正是瞄準AI資料中心下一階段的頻寬與功耗挑戰，也讓台灣在晶片設計、矽光子與先進封裝交會的新戰場上，往前推進一步。