全硅光互连芯片CrystalChip深度：让GPU之间的通信带宽提升至每秒20TB

美国国家半导体研究中心NSRC联合英特尔和台积电在ISSCC 2026大会上联合发布了CrystalChip，这是首款实现全硅光互连的商用AI加速卡原型。该芯片采用台积电3nm工艺，计算单元仍基于传统CMOS电学晶体管，但片间和片内通信完全由硅光波导承载。

CrystalChip的研发历时四年，核心挑战在于将硅光器件的良率提升到与CMOS兼容的水平。硅光波导在制造过程中对缺陷极为敏感，单个纳米级颗粒就可能导致光信号衰减。NSRC团队开发了一种基于激光退火的自修复工艺，将晶圆级良率从早期的14%提升至87%。

性能数据方面，CrystalChip在8卡互联配置下实现了每秒20TB的跨卡通信带宽，是NVIDIA H200使用NVLink时的4倍。在一项训练GPT-MoE-3T模型的对比测试中，8卡CrystalChip集群的吞吐量是8卡H200集群的2.7倍，但单位token训练能耗仅为后者的38%。

硅光互连的优势主要来自三个方面。首先是带宽密度——单根硅光波导可以在50GHz频率下承载8个波长的信号，等效带宽密度是铜缆的近100倍。其次是传输距离——光信号在硅波导中的衰减仅为每厘米0.3dB，使得片间通信距离可以扩展到数十厘米。最后是能耗——光信号的翻转能耗与传输距离几乎无关，从根本上解决了铜缆通信的能耗瓶颈。

CrystalChip的封装采用了台积电最新的CoWoS-L硅中介层技术。中介层上同时集成了计算芯片和硅光引擎，二者通过硅穿孔直接连接。这一封装方式将光信号从芯片边缘的I/O引脚转移到了晶圆背面，进一步提升了信号完整性。

不过CrystalChip距离大规模量产仍有距离。当前原型仅在小批量试产线上流片，单颗芯片成本超过4800美元。英特尔研究员Yuki Tanaka承认，要将成本降至商用可接受的水平，至少还需要18个月的工艺优化。英特尔计划在2026年下半年推出工程样品，2027年开始小批量量产。

NVIDIA对此保持沉默。分析机构Forward Insights认为，NVIDIA可能会在2027年发布的Rubin Ultra中整合类似的硅光互连技术。事实上NVIDIA在2024年收购了硅光初创公司Lightmatter的关键专利组合，这被业内视为其技术储备的重要布局。

除AI加速外，CrystalChip的技术还可应用于数据中心交换机和高性能计算领域。橡树岭国家实验室已表示将在下一代超级计算机Frontier-2的存储子系统中试用CrystalChip的硅光模块。