芯片制造商开始重视集成光子学

随着芯片制造商寻找新的方法来克服功率限制和处理日益增长的数据量，将光子学集成到半导体中正在获得吸引力，特别是在异构多芯片封装中。

自登纳德标度(Dennard scaling)结束以来，功率一直是人们日益关注的问题，登纳德标度大约发生在90nm节点附近。每毫米²有更多的晶体管，电线更细，这增加了电阻和电容，并产生热量。除此之外，需要处理和移动的数据量也在不断增长，因此各种处理元素、内存和I/ o的利用率比过去更高。这使得移动数据、向需要的地方输送足够的电力以及散热变得更加困难。

光子学提供了一个潜在的解决方案。事实上，它可以提供阶梯形功能的改进，为目前受到固定功率预算和铜互连限制的新应用打开大门。

“使用铜的通信成本正开始变得令人望而却步，”at的产品管理总监詹姆斯•庞德(James Pond)表示有限元分析软件．“电气互连的挑战在于，随着性能或覆盖范围的提高，电力成本也会上升。该行业正在发展到这样一个阶段，即电力互连将消耗掉你的整个电力预算，而这将在几年内发生。”

直到最近，这还是被成本所禁止的。“当光子学的成本低于铜的成本时，这变得非常有趣。节奏．

我们接近那个点了吗?要回答这个问题，有必要看看该行业的其他发展。

刻线限制定义了光刻机可以蚀刻的最大尺寸。对于193nm的浸入式步进，目前用于生产大量芯片，其限制为33 x 26 -略超过800mm²。与此同时，摩尔定律在许多公司或设计类型的成本效益方面正在放缓。这意味着在一块硅片上经济地制造晶体管的数量已经达到极限。

摩尔定律的下一阶段要求设备开始成为多个模具的组合，业界一直在投资这项技术。今天，它的专有版本出现在大多数高端cpu和gpu、fpga和AI处理器中。随着该行业的普及，问题正在得到解决，成本正在下降，这将带来更大的潜在市场。

多个模具的异构集成引出了小芯片的概念。这些是预先设计和制造的功能部件，可以以与今天在PCB上组装芯片相同的方式组装在一个封装中。在这成为广泛采用的现实之前，该行业还必须克服几个挑战。其中一些是技术方面的，另一些是财务或法律方面的，还有一些与制定标准有关，以确保这些标准化产品有足够大的市场。

Chiplet技术还将有助于电子产品以外的异质集成(见图1)。我们已经看到视频传感器设备是光学层和电子层的组合，通过晶圆键合融合在一起。自2016年以来，该技术已经得到了很好的验证。

图1:异构集成的新兴应用。来源:有限元分析软件

一种用于集成小芯片的技术是利用一个插入体。这相当于这种封装系统中的PCB。中间体充当各种小芯片之间的连接点。这种方法已经成功地用于高带宽内存(HBM)。插入器的问题在于，它是一个单独的“芯片”，必须被制造出来，这增加了总成本。其他公司正在考虑将芯片直接堆叠到主模具上，或者使用小块的中间物在各种模具之间架起桥梁。

我们看到光子学市场开始利用异构集成，它可以重新想象芯片、芯片和系统通信方式的许多方面。

增长的市场
由于缺乏批量产品，光子元件的成本一直很高。“使用集成光子学的低成本、高速收发器的前景——特别是硅光子学——已经实现了，”Ansys的Pond说。“我们已经看到数百万台的出货量，它们被用于数据中心。预计至少到2025年，这一数字将继续以40%以上的年增长率增长(见图2)。协同封装光学器件是下一个前沿领域。它需要解决我们的数据带宽问题。光学互连和协同封装光学是实现这一目标的唯一途径。”

图2所示。收发机市场增长。来源:Ansys。

新的市场会有不同的要求。EV Group业务发展副主管Martin Eibelhuber表示:“电信应用一直是由全宽半最大(FWHM)方法驱动的，因此它们可以有许多彼此非常接近的不同波长。”“这通常导致他们将不同波长的边缘发射激光器紧密地集成在一起。新的应用，特别是基于光子集成的激光雷达，正变得越来越受欢迎，在不久的将来，这将是一个更大的市场。”

激光雷达有不同的要求。Eibelhuber说:“对于激光雷达来说，拥有不同的波长并不重要，但光束形状更重要。”“当你使用光学相控阵时，人们的目标更多的是转向和输出功率。你想要调节向外的波。它们在规模和如何构建它们方面也有不同的限制。例如，与汽车相比，数据通信对物理尺寸或重量不那么敏感。汽车中的激光雷达也将是一个关键任务系统。”

step功能的最大部分来自于对系统级问题的重新思考，而不仅仅是技术替换。Cadence公司的拉曼特说:“在两个serde之间进行高性能计算时，需要重新计时。“由于铜线存在变化，设备需要具有自适应每种条件的能力。大多数高性能SerDes和所有高性能通信标准都包含了这一点。虽然他们没有特别要求，但对信号质量的要求使得没有这些设备是绝对不可能工作的。”

“通过光子学解决方案，你可以完全摆脱电路的这一部分，”拉曼特补充道。“这是一个很好的例子，说明了集成光子学将赢得什么。我们说的可不是10%的小涨幅。我们说的是40%的收益。重计时器是一种模拟电路，而且是一种非常复杂的电路。有了光子学，你就不会有这些阻抗匹配问题和光纤中的损耗。这是集成光子学可以实现的变化类型，它们是阶跃函数。”

获得光线
激光不太可能建立在硅上，只是因为物理学不利于它。“你必须决定光源应该在芯片上还是芯片外，”拉曼特说。要有光子学，你需要有光，然后你需要用它做一些事情。一些公司正在建造和发展，或者焊接，晶圆键合，在硅衬底上安装激光。把它建在硅基板上是一种圣杯类型的东西，因为它将完全在一个晶圆厂内。其他公司则是在他们的大硅片上组装晶圆芯片。”

即使是芯片上也有不同的方法。EV Group的Eibelhuber说:“你可以考虑晶圆级集成方案，以实现不同部件的异构集成。”“如果我们考虑集成激光芯片，硅上的复合半导体，类似的事情，这基本上已经在今天发生了。”

大小不匹配
光子学与电子学分离的另一个原因是用于每个部分的几何图形不匹配。庞德说:“硅光子器件总是很大，而且通常可以在不需要同样先进的节点技术的铸造厂制造，这只是因为设备的尺寸。”“光子器件的尺寸受到物理的限制，所以你不能像人们对电子集成电路所做的那样不断缩小它们。硅光子学需要相当多的控制电子器件，以保持一切正常运行，以维持加热器和反馈回路，以保持一切正常运行。但当涉及到高级节点时，这只是两种不同的技术，将它们分开可能是有意义的。”

但是你可以在旧的节点上构建有用的电子设备。拉曼特说:“目前至少有一家晶圆代工厂提供集成的整体解决方案。“晶体管是最后一代平面晶体管，这是因为光子学需要的所有尺寸兼容要求。挑战是存在的。你需要一个平衡，因为他们真的不能比45nm小很多，因为那会给光子学带来太多的挑战。”

的机会
在晶片技术中，插入物可作为晶片安装在其上的基板。这也是在一个更大的几何比用于密集的电子功能。Pond说:“芯片和3D IC模型真的很好，你可以有一个集成的光子中间体，你可以在上面构建3D IC。”“这可以作为芯片之间以及与外部世界的通信层。此外，当你开始考虑移动到每个3D IC都有集成的光子中间层用于通信时，你谈论的体积比数据中心收发器大几个数量级。对于集成光子学来说，这是一个重要的阶段，它将从可以与电子技术相比较的小众市场转向更实质性的市场。”

虽然芯片可能使光子学成为可能，但光子学也可能影响芯片。拉曼特说:“如今，业界正在考虑在芯片之间建立电子连接。”“这使得两个小芯片之间有一个垂直的连接。但是，为什么不使用光学来代替携带电信号的凸起呢?他们称之为光学碰撞。这里的挑战是对齐，但这些对小芯片来说都是挑战。”

现在，它使用了系统中昂贵的部分-中间体-并使用它在异构部分之间的通信中创建一个阶跃变化。旁德说:“光子层应该是插入者，并提供小芯片之间和外部世界之间的通信层。”

集成问题
所有3D IC系统的一个问题是热量，而光子学则为这个问题增加了一个额外的维度。Eibelhuber说:“整个系统在关键环境中的表现非常重要，而热管理是其中的关键部分。”“他们需要采取积极措施控制温度。在3D封装领域，温度管理是整个系统的普遍问题，包括电子设备。”

Lamant表示同意。“热分析的基本引擎是已知的。这不仅仅是对于光子学，你可以看到同样的复杂性出现在芯片上。小芯片很好，但是一旦你开始把它们放在2.5D或3D IC上，它们彼此非常接近，你必须跨它们的边界进行分析。这不是光子学所特有的。”

不过，光子学确实存在一些独特的问题。庞德说:“电子器件会产生大量的热量，它们将改变集成光子中间体的温度。”“一些光子设备对温度变化非常敏感。建模的挑战在于能够理解整个3D IC的温度发生了什么变化，并且从仿真的角度能够计算不同配置下的工作温度。每个光子元件的局部温度是多少?然后我们可以研究这对光子电路性能的影响。”

一个典型的芯片可以根据工作环境或工作负载经历很大的温度范围。旁德补充说:“在光子解调器中，即使是一小部分的度变化也会对性能产生很大的影响。”“它可以把它完全赶出它的工作点。一度的变化就会破坏设备的性能。你可能会问，这是怎么运作的?这就是加热器和控制回路的作用，它们维持设备的正确工作点。重要的不是绝对温度，而是干涉仪不同臂之间的温差。只要你有控制电子设备和加热器保持设备在正确的工作点，那么你就可以处理更大的全球温度范围。挑战在于，如果你不得不过度补偿，你可能会开始在加热器中消耗大量的电力，只是为了保持一切都在合适的温度下运行。”

标准
最大的挑战不是技术，而是与行业合作和标准有关。Eibelhuber表示:“行业内正在大力推动标准的制定。“他们希望合作，并制定标准，使他们能够以合理的成本访问类似的流程，而不必自己开发所有内容。有一些联合封装的解决方案，试图保持尽可能多的晶圆水平。在芯片层面上有很好的解决方案，基本上可以两全其美。然而，并不是电子领域的所有工作都可以复制到光子学行业，这是必须填补的差距。”

在模具之间可靠的数据传输需要的不仅仅是PHY。高级系统集成小组负责人兼高效电子部门主管Andy Heinig表示:“必须实施更高级别的标准，而不是非常低级的接口标准。夫琅和费IIS自适应系统工程部．“这种更高级别的协议可能是面向应用的。它们将不同于光学前端的模拟数字应用程序，或人工智能应用程序数据中心的数字加速器。”

标准使创新成为可能。庞德说:“可插拔设备如此成功的原因在于标准。“它们有标准化的外形和交流标准。这意味着很多创新公司可以开始设计集成光子收发器之类的东西，并提高性能和速度。然后，建立数据中心的人可以购买可插拔收发器，只要它们符合标准，就可以从不同的供应商那里将它们组合起来。现在的挑战是，当谈到将光学器件引入芯片或协同封装系统时，关于如何连接这些光纤以及通信标准将是什么，目前还没有真正的标准。一旦实现这一目标，我们将看到类似的创新热潮。”

这与电子产品所需的标准没有什么不同，在电子产品中，必须就将使用什么通信标准达成某种共同协议。

结论
对芯片的需求促使该行业着手解决某些问题。它们也是集成光学的问题，但这个市场太小了，影响不大。随着我们接近3D集成电路的解决方案，集成光学的一些障碍已经被消除。

但这只是故事的第一部分。随着这些问题的解决，光学可以改变我们对封装内通信的思考方式，从电气互连中间体转变为光学中间体。以前被视为昂贵的开销现在变成了以前不可能实现的更快、更低功耗的解决方案。当这两种技术结合在一起时，新的系统级解决方案就成为可能。功率将大幅下降，最终产品总成本可能会下降。

相关的
使硅光子芯片更可靠
越来越多的数据和新的应用使这项技术越来越有吸引力，但它仍然不是主流。
在生产中测试硅光子学
在降低成本和提高速度方面还有很多工作要做，这需要一个完整的生态系统。
映射热对光子学的影响
热效应很难量化，但它们可以破坏光信号并缩短激光的寿命。
硅光子学知识中心