IMEC | 突破連接壁壘：高性能計(jì)算中的硅基光電子技術(shù)進(jìn)展

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
! [: k) R* I& C5 @高性能計(jì)算（HPC）正在快速發(fā)展，CPU和GPU的性能大約每兩年翻一番。然而，這一進(jìn)展正面臨著一個(gè)重大挑戰(zhàn)：連接壁壘。正如imec光I/O項(xiàng)目經(jīng)理Filippo Ferraro指出的，每兩年計(jì)算能力增加三倍，而互連帶寬僅提高1.4倍。這種日益擴(kuò)大的差距意味著數(shù)據(jù)傳輸路徑，而非原始計(jì)算能力，正逐漸成為整體系統(tǒng)性能的限制因素[1]。
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5 X# @  f( I+ Q/ o, @/ {圖1：imec光學(xué)I/O項(xiàng)目經(jīng)理Filippo Ferraro。
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為了解決這一連接瓶頸，研究人員和科技公司正轉(zhuǎn)向硅基光電子作為潛在解決方案。imec正處于這一努力的前沿，開發(fā)一系列硅基光電子技術(shù)以支持當(dāng)前和未來幾代HPC系統(tǒng)。

硅基光電子的現(xiàn)狀
: `: W4 E8 A8 P3 J( Oimec目前的硅基光電子技術(shù)能夠支持800Gbit/s和1.6Tbit/s（800G和1.6T）可插拔光學(xué)模塊。這種性能水平足以滿足當(dāng)前系統(tǒng)的需求，預(yù)計(jì)還能支持下一代HPC。該技術(shù)利用了多種組件，包括：
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高密度硅波導(dǎo)

光柵耦合器

邊緣耦合器（用于光的輸入/輸出）

鍺光電探測器

各種類型的調(diào)制器
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' j* z4 I, M4 W1 H% g這些組件協(xié)同工作，將電信號轉(zhuǎn)換為光信號并向這些信號添加信息，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。

9 J- L, Q' p/ n/ z& B0 D$ e# x; H未來的挑戰(zhàn)和解決方案
; X9 ?* d* @* v; [& U7 F- L當(dāng)前的硅基光電子技術(shù)滿足了即時(shí)需求，但imec的研究人員認(rèn)為，在下一代HPC之后可能不足以滿足需求。為了繼續(xù)突破連接的界限，研究人員正在探索不同的材料和3D集成技術(shù)。

混合硅基光電子
# p+ W- V* B4 D6 S7 x通過混合硅基光電子，imec研究人員認(rèn)為可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)3.2T的可插拔光學(xué)模塊。通過先進(jìn)的異質(zhì)結(jié)合技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的改進(jìn)。然而，要實(shí)現(xiàn)下一代可插拔光學(xué)收發(fā)器，需要兩個(gè)關(guān)鍵的進(jìn)展：

將通道速率從100或200 Gbits/s提高到400 Gbits/s

將能耗從20 pJ/bit降低到10 pJ/bit
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鈮酸鋰調(diào)制器
# C! J( h) O4 b; u實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的一個(gè)有望的途徑是使用鈮酸鋰調(diào)制器。imec光學(xué)I/O項(xiàng)目總監(jiān)Joris Van Campenhout解釋說，基于硅的調(diào)制器無法在可接受的光損耗下擴(kuò)展到所需的帶寬。相反，鈮酸鋰調(diào)制器已經(jīng)展示了遠(yuǎn)超100 GHz的調(diào)制帶寬，這對支持高達(dá)400 Gbits/s的通道速率是必要的。
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) P4 i$ g6 |2 u- N圖2：imec光學(xué)I/O項(xiàng)目總監(jiān)Joris Van Campenhout。
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; S" E& \  _. Z2 y* y鈮酸鋰面臨的挑戰(zhàn)在于將其與硅基光電子晶圓集成。作為CMOS制造中的高污染材料，必須特別注意盡可能晚地在制造過程中添加。imec的研究人員正在探索微轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)(MTP)，這是在根特大學(xué)開發(fā)的一種技術(shù)，作為潛在的解決方案。允許在晶圓上單獨(dú)準(zhǔn)備鈮酸鋰模塊器件，然后以可擴(kuò)展、快速和可靠的方式轉(zhuǎn)移到硅基光電子晶圓上。
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; V* L% {# U6 x% h光電共封裝：范式轉(zhuǎn)變
0 K: ?, E5 }4 }* Q. r7 [6 R! c雖然可插拔光學(xué)在業(yè)界已經(jīng)獲得了牽引力，但在從主機(jī)IC到光學(xué)模塊運(yùn)行的通道數(shù)量方面面臨限制。此外，長距離運(yùn)行的電氣通道會遭受損耗和干擾，影響信號質(zhì)量并增加能耗。

2 Z( w; |+ R& ]" y" M為了解決這些問題，研究人員正在探索光電共封裝作為替代方法。這種方法涉及在制造階段將光學(xué)模塊放置在主機(jī)IC或XPU旁邊。雖然這種方法降低了靈活性，但提供了幾個(gè)優(yōu)勢：
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顯著減少電氣走線長度（從厘米級到毫米級甚至微米級）

降低RF損耗和功耗

由于RF損耗降低，能夠添加更多通道

更高的互連密度

支持波長分復(fù)用，減少所需光纖量
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; s! `2 m, _/ `! P光電共封裝需要先進(jìn)的3D封裝技術(shù)，這是imec已經(jīng)在電子組件領(lǐng)域開發(fā)的專業(yè)知識。

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圖3：imec 的晶圓級CPO
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3 E5 O& W- B# g圖4：imec 的interposer以及晶圓級光互連

: }1 B" C/ t/ n6 _  t# U/ _未來的道路
與整個(gè)半導(dǎo)體市場相比，硅基光電子市場仍然相對較小，但正在增長。主要晶圓廠最近的公告引發(fā)了對快速擴(kuò)展光連接的興趣和需求增加。
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imec計(jì)劃繼續(xù)專注于技術(shù)開發(fā)，以擴(kuò)展可插拔和光電共封裝光學(xué)。其努力分為兩個(gè)方面：

通過在遠(yuǎn)后端添加新材料來延長現(xiàn)有硅基光電子平臺的壽命，以實(shí)現(xiàn)更高的通道速率

利用為電子開發(fā)的先進(jìn)3D封裝技術(shù)，深度集成光電共封裝
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6 K+ n6 _8 s$ j5 J- d8 g# f這些并行的活動(dòng)流預(yù)計(jì)將在未來幾年及以后滿足行業(yè)的需求，幫助突破連接壁壘，實(shí)現(xiàn)下一代高性能計(jì)算系統(tǒng)。

參考來源
/ ?! _4 l. L; Q5 c! S# y- |" W. M[1] P. Brans, "Imec: Breaking Connectivity Wall with Silicon Photonics and More," EE Times Europe, Sep. 6, 2024. [Online]. Available: https://www.eetimes.eu/imec-breaking-connectivity-wall-with-silicon-photonics-and-more/ [Accessed: Oct. 7, 2024].

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% I5 Z$ R  \+ a9 K深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。

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