適合中國(guó)的新賽道——硅光子！
2023-06-05 12:29:05 EETOP隨著 AI、通訊、自駕車(chē)等領(lǐng)域?qū)Ａ窟\(yùn)算的需求漸增，在摩爾定律的前提下，集成電路的技術(shù)演進(jìn)已面臨物理極限，該如何突破？
有一項(xiàng)技術(shù)，它讓IBM早在20年前就積極投入，稱(chēng)霸CPU市場(chǎng)多年的Intel也早已投資這項(xiàng)技術(shù)超過(guò)10年的時(shí)間，中國(guó)大陸更是將它視做半導(dǎo)體發(fā)展突圍的武器，而以色列也把它列為其國(guó)家科技發(fā)展重要項(xiàng)目之一。
這項(xiàng)技術(shù)對(duì)一般人而言顯得陌生，但卻吸引Apple、NVIDIA、臺(tái)積電等巨頭公司近年來(lái)陸續(xù)投入研發(fā)打造，它就是集20世紀(jì)兩大最重要的發(fā)明硅集成電路與半導(dǎo)體激光大成的硅光子。當(dāng)電子結(jié)合光子，不只解決原本信號(hào)傳輸?shù)暮膿p問(wèn)題，甚至視為開(kāi)啟摩爾定律新篇章、顛覆未來(lái)世界的關(guān)鍵技術(shù)。
集成電路（IC）將上億個(gè)晶體管微縮在一片芯片上，進(jìn)行各種復(fù)雜的運(yùn)算。硅光子則是集成電路，把能導(dǎo)光的線路全數(shù)集中。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，是在硅的平臺(tái)上，將芯片中的電信號(hào)轉(zhuǎn)成光信號(hào)，進(jìn)行電與光信號(hào)的傳導(dǎo)。
硅光子能提升光電傳輸?shù)乃俣龋鉀Q目前電腦元件使用銅導(dǎo)線所遇到的信號(hào)耗損及熱量問(wèn)題，因此臺(tái)積電、英特爾等多家半導(dǎo)體巨頭已經(jīng)投入相關(guān)技術(shù)研發(fā)。
但在介紹硅光子應(yīng)用與瓶頸前，我們需要先了解光電收發(fā)模塊的運(yùn)作原理：
先想象光電收發(fā)模塊是類(lèi)似 USB 的長(zhǎng)方形模塊，插入電腦后才能讀取信息。換言之，光信號(hào)必須先進(jìn)入該模塊，才能將信號(hào)打入服務(wù)器。
傳統(tǒng)的插拔式模塊（transceiver，又稱(chēng)收發(fā)器）內(nèi)部有許多光電組件，當(dāng)光信號(hào)進(jìn)去模組里，會(huì)需要光接收器（PD，Photodetector）來(lái)接收光，之后信號(hào)源進(jìn)入模組，因?yàn)楣怆娦?yīng)產(chǎn)生的電流很小，需要放大器（TIA）將電流信號(hào)放大，同時(shí)把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓。
電信號(hào)進(jìn)入主機(jī)后會(huì)遇到交換器（Switch），能將電信號(hào)進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)換，判斷電該從哪個(gè)軌道出去，出去后經(jīng)過(guò)光調(diào)變器（Optical Modulator），同時(shí)搭配激光光源輸入的情況下，將電信號(hào)再切換成光信號(hào)，這就是光電收發(fā)模塊的概念。
硅光子和光電收發(fā)模塊有什么關(guān)系？
一個(gè)光電模組包含光接收器、放大器、調(diào)變器等許多組件，過(guò)去這些組件都是個(gè)別、零散地放在PCB板上，但為了提升功耗、增加信號(hào)傳輸速度，這些組件改成全整合到單一硅芯片上。
在硅平臺(tái)上的光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，都能算在硅光子技術(shù)范疇，過(guò)程中需克服的面向也不同。也因此，為了讓讀者更好理解，我們會(huì)以硅光子發(fā)展至今的每個(gè)階段，作為分享的主軸。
硅光子已默默耕耘20多年，傳統(tǒng)的硅光子插拔式外型非常像USB接口，外接兩條光纖，分別傳輸進(jìn)去和出去的光; 但插拔式模塊的電信號(hào)進(jìn)入交換器前，必須走一大段路（如下圖 b），在高速運(yùn)算損失又多（大），所以為了減少電損失，硅光元件改到接近服務(wù)器交換器外圍的位置，縮短電流通的距離，而原本的插拔式模組只剩下光纖。
而上述這個(gè)作法，正是目前業(yè)界積極發(fā)展的「共封裝光學(xué)模組」（CPO，Co-Packaged Optics）技術(shù)。主要是將電子集成電路（EIC）和光子集成電路（PIC）共同裝配在同一個(gè)載板，形成芯片和模組的共同封裝（即下圖 d 的 CPO 光引擎），以取代光電收發(fā)模組，使光引擎更接近 CPU/GPU（即下圖 d 芯片），縮減電傳輸路徑、減少傳輸耗損及信號(hào)延遲。
據(jù)了解，這項(xiàng)技術(shù)能降低成本，數(shù)據(jù)量傳輸提升8倍，提供30倍以上的算力并節(jié)省50%功耗。但目前芯片組的整合仍處于現(xiàn)在進(jìn)行式，如何精進(jìn)CPO技術(shù)，成為硅光子發(fā)展的下一個(gè)重要步驟。
目前硅光子主要在解決插拔式模塊的信號(hào)延遲之挑戰(zhàn)，隨著技術(shù)發(fā)展，下一階段將會(huì)是解決CPU和GPU傳輸?shù)碾娦盘?hào)問(wèn)題。學(xué)界指出，芯片傳輸以電信號(hào)為主，所以下一步要讓GPU和CPU透過(guò)光波導(dǎo)進(jìn)行內(nèi)部對(duì)傳，將電信號(hào)全轉(zhuǎn)為光信號(hào)，來(lái)加速AI運(yùn)算并解決目前算力瓶頸。
當(dāng)技術(shù)再往下一步走，將迎接全光網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，意思是芯片間的所有對(duì)傳全變成光信號(hào)，包括隨機(jī)存儲(chǔ)、傳輸、交換處理等都以光信號(hào)傳遞。目前日本已在硅光子導(dǎo)入全光網(wǎng)絡(luò)這部分積極布局。
摩爾定律預(yù)測(cè)，相同尺寸芯片中能容納的晶體管數(shù)量，因?yàn)橹瞥碳夹g(shù)推進(jìn)，每18~24個(gè)月會(huì)增加一倍。但由于芯片是電信號(hào)，傳輸會(huì)有信號(hào)損失的問(wèn)題，即使單位面積晶體管數(shù)量漸增，仍無(wú)法避免電耗損的問(wèn)題。
然而硅光子技術(shù)的出現(xiàn)，以光信號(hào)代替電信號(hào)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)更高帶寬和更快速度的數(shù)據(jù)處理，使芯片不需擠更多晶體管數(shù)量，不需追求更小納米和節(jié)點(diǎn)，且能在現(xiàn)有硅制程基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更高集成度、更高效能的選擇，進(jìn)一步推動(dòng)摩爾定律的發(fā)展。
目前硅光子在元件整合上仍有諸多挑戰(zhàn)，首先是接口溝通語(yǔ)言問(wèn)題，舉例來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體廠商雖然了解電的制程，但因?yàn)楣庾咏M件效能對(duì)溫度和路徑都很敏感，制程上線寬與線距對(duì)光信號(hào)影響相當(dāng)大，若要開(kāi)發(fā)更高效的光子元件結(jié)構(gòu)和制程，需要一個(gè)溝通平臺(tái)，提供設(shè)計(jì)規(guī)格、材料、參數(shù)等，進(jìn)行光電廠商的信息語(yǔ)言整合。
再者，短期硅光子用于利基型市場(chǎng)，各類(lèi)型的封裝制程與材料標(biāo)準(zhǔn)也還在陸續(xù)建立中，大多提供硅光芯片下線的晶圓代工廠都屬于客制化服務(wù)，或者不方便提供給他廠使用，缺乏統(tǒng)一平臺(tái)恐阻礙硅光子技術(shù)的發(fā)展。
除了以上提到的缺乏共通平臺(tái)外，高成本制造、光源集成、組件效能、材料匹配、熱效應(yīng)和可靠性等也是硅光子制程瓶頸之一。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，預(yù)計(jì)這些瓶頸在未來(lái)數(shù)年到十年內(nèi)有望得到突破。
事實(shí)上，這個(gè)看起極具潛力且正準(zhǔn)備高飛的技術(shù)，是由IBM帶頭，爾后不少企業(yè)、研究單位、學(xué)術(shù)界紛紛投入20年的成果，其中，Intel是最快推出量產(chǎn)產(chǎn)品，市占率甚至達(dá)5成的龍頭企業(yè)。而Leti、Imec、Ime則是深耕這個(gè)領(lǐng)域許久的研究單位; 在設(shè)計(jì)端則有被 NVIDIA 投資的Mellanox、被 Cisco 收購(gòu)的 Luxtera 與 Acacia、Finisar、Avago等公司投入研發(fā)。
在晶圓制造的部分，以GlobalFoundries的投入最早，臺(tái)積電則在近年來(lái)積極布局相關(guān)技術(shù)，2017年與Luxtera共同開(kāi)發(fā)新世代的硅光子技術(shù)，爾后也在封裝段也布有COUPE（compact universalphotonic engine，緊湊型通用光子引擎）硅光子芯片異構(gòu)集成技術(shù)。而封測(cè)大廠日月光也在相關(guān)技術(shù)布局了 20 年之后，在去年正式推出 CPO 裝技術(shù)，并且成功進(jìn)入博通硅光子產(chǎn)品供應(yīng)鏈。
中國(guó)大陸對(duì)于硅光子產(chǎn)業(yè)的投入也不容小覷，因?yàn)楣韫庾?a href="http://www.xebio.com.cn/semi" target="_blank" class="keylink">芯片制造可以沿用半導(dǎo)體既有十分成熟的CMOS制程與機(jī)臺(tái)，且主流制程落在45到90納米，這對(duì)擅長(zhǎng)IC設(shè)計(jì)但制程相對(duì)落后的中國(guó)大陸半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)而言，反而視之為其推動(dòng)區(qū)域半導(dǎo)體內(nèi)循環(huán)策略的最佳致勝捷徑。就以在全球進(jìn)行并購(gòu)的華為為例，其并購(gòu)標(biāo)的包含了英國(guó)集成光子研究中心CIP Technologies、比利時(shí)硅光技術(shù)開(kāi)發(fā)商Caliopa。中國(guó)政府甚至在武漢設(shè)立了東湖高新區(qū)光電園，全力打造硅光子相關(guān)技術(shù)。
對(duì)于擁有半導(dǎo)體制造完整產(chǎn)業(yè)鏈與先進(jìn)制程優(yōu)勢(shì)的臺(tái)灣地區(qū)而言，雖然前十年投入硅光子技術(shù)研發(fā)的廠商有限，但近年來(lái)半導(dǎo)體制造供應(yīng)鏈正低調(diào)地卯足全力投入這項(xiàng)技術(shù)研發(fā)，希望能在硅光子技術(shù)上再度復(fù)制半導(dǎo)體成功模式。正如日月光研發(fā)副總洪志斌所言，硅光子無(wú)疑將是“一大技術(shù)杠桿、同時(shí)也是新興應(yīng)用的新支點(diǎn)，能夠觸動(dòng)出新型態(tài)與新世代的數(shù)據(jù)中心，并且?guī)?dòng)各種新興數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用”的重量級(jí)技術(shù)。
EETOP 官方微信
創(chuàng)芯大講堂 在線教育
半導(dǎo)體創(chuàng)芯網(wǎng) 快訊
相關(guān)文章
