映射在光子学热量的影响

热量和各种类型的噪声会干扰光信号在硅光子学的应用程序中,迫使光频率通常是过滤掉。

除非这些过滤器是调整,数据可能会丢失或不完整,对于流数据重构可能是不可能的。但预测和生理效应如何影响光并不总是很明显,这使得它更难做出必要的调整。使用光芯片级刚刚起步,它变得清晰起来还有许多工作需要去做。虽然看起来像是光通信应该很好地理解这个点电信行业光纤用于decades-silicon光子学是刚刚开始推出die-to-die通信内部和不同包。

的放缓摩尔定律推动这一转变。功能收缩超过7海里不再提供每瓦特性能得到显著提升,并采取更多的时间芯片行业的牧师每一个新的节点。面对有更多的物理效应,如RC延迟造成的细电线。此外,各种类型的噪声,曾经被厚电介质屏蔽,现在一阶效应。和最重要的是,热耗散变得更加困难和昂贵的管理在每一个新节点由于动态功率密度和增加更多的电路总是在状态。

作为回应,芯片制造商已经开始探索各种新的选项,从不同的建筑方法,如内存或near-memory计算、异构设计和新包装选项。光线是一个选择,但目前尚未完全或完全理解芯片级别的特点。特别关注的是光在热的影响。

“噪音影响来自许多不同的来源,包括热,从而导致折射率的转变,“Ashkan Seyedi说,惠普实验室研究的科学家。“现在,VCSELs(垂直腔表面发射激光器)20 nm信道间隔,所谓的网格粗波分复用(粗波分复用)。在这个窗口中,VCSEL的颜色实际上是波动。”

波动,在光子学代表了频移,造成,有时通过加热和噪声放大。结果,包和模具需要在一定的温度范围内,和激光和过滤器需要开发工作在这些温度。

“频移时,出来的激光可能不是你所设计的,”诺曼说,首席技术专家有限元分析软件”半导体业务单元。“需要进入波导,是波多路复用器。但随着热对频率的影响,可能是过滤掉。”

面部识别等应用在智能手机上,这可能是更多的烦恼比一个严重的问题。但对于对象或运动检测在一辆汽车或一架飞机,它可以危及生命。

“单个转移信号通常不是一个好主意,”特帕兰杰佩说,首席技术官Veeco。“任何无关的噪声会影响光,如果它会干扰传感器,你必须处理,噪音设计。它可能会引起频率漂移。除此之外,不同的光源有不同数量的变化。”

解剖光子学
两个主要的方法中使用硅光子学。一种方法是使用一个环调制器,它基本上是一个脉冲信号的使用相移键控等技术或各种类型的频分多。第二个涉及谐振器,创建一个空腔在硅由一对镜子面对彼此。光发射之间的镜子,以定义的频率来回反射。

图1:Micro-ring谐振器,直径约20微米。来源:惠普实验室

VCSELs使用谐振器的方法,一开始是一个利基技术,电脑鼠标和激光打印机。他们已经变成主流的引入VCSEL-based面部识别iPhone x其它手机制造商也纷纷效仿,和VCSELs发现进入其他应用程序,包括激光雷达辅助和自主车辆。

所有这一切已加大压力,开发工具和方法能够解决各种技术问题在光子学在设计方面提供了一致性。我们的目标是更好的收益,所以制造商可以实现规模经济系统的各种供应商希望从半导体。

“硅光子学的承诺是能够重用现有的基础设施比今天可以以更低的成本,“Twan专题Korthorst说,研发光子学应用解决方案的主管Synopsys对此。”有三种不同的方法。一个是生长在硅这些设备。第二个是模具粘合与混合集成光子学。第三是使用光源距离90 nm收发过程。”

到目前为止,没有明显的赢家。基本的问题是:光源很难与其他电子产品集成。事实上,模具粘合的方法基本上是一个连接器粘到一个包中。添加频率变化,这可以变得非常混乱。

“当你考虑了光互连的范围,它的温度变化会真的腿筋你,”惠普实验室的Seyedi说。“假设你正在设计一个VCSEL链接,和你有一个60光学I / O围绕你的ASIC,这可能是一个GPU开关或CPU。如果热图的地方,那么你有激光冲浪非常热fluctation动荡的浪潮。激光1可能会有所不同从20°C到70°C,和激光27只从45°55°。你必须实现所有的激光热稳定机制,和“t”正是困难。如果有人说这个芯片运行热,但它只会改变10°,这是一个非常简单的热缓解方案。但如果它可以从20°- 80°C,并且你不知道平均等于或在毫秒时间尺度不同,你有很多的空间,以容纳更大。”

热会影响在其他方面的设计。如果一个或多个激光器运行温度比其他人,他们将会更快地烧坏。增加失败的数量随着时间的推移,除非冗余是内置激光模块,它可以毁掉整个包。但冗余增加面积,这些设备在许多额外的面积并不是可用的。

“如果你考虑一个典型的数据中心,你会有成千上万的个人激光,“Seyedi说。“如果你有符合(故障及时率)5,这仍然是大约10激光消失一个月。在VCSEL-based链接,这是密封包装,所以当激光死了整个包已经死了。如果你有一个可插入的有八个激光在一个活跃的光缆,其中一个部分死了,没有冗余,七个健康激光消失为代价的一个坏的一个。”

工具和测试问题
这不是令人惊讶的芯片制造商和供应商的工具。在某些方面,这只是另一种类型的变化。但在光子学有一些新变化,使其更加难以描述热设备上的影响。一个是没有“最好”的方法来构建这些系统,而且每一个都有其优点和缺点。例如,被动插入器现在波导用于信号。而那些可能帮助抵消一些热的影响,这种方法使它明显难以测试和模型这些设备。

“主要的问题是波指南需要一定的尺寸,你必须保持它们之间的空间,所以它占用了很多区域,”约翰·弗格森说营销主管口径在刚果(金)应用程序导师,西门子业务。“这并不受益于先进的节点。事实上,65海里现在最先进的节点。你有一个芯片,一边下面除了连接它。光子学是分开的。但是测试这是很困难的。现在人们正试图破解。它不像一个集成电路,你把它放在testbench探针。你需要测量光学信号处理,这不是微不足道的。”

测试比边缘发射激光与VCSELs稍微简单些。VCSELs,整个数组可以被添加到一个死因为光线传播垂直于芯片表面的。这也使得他们更容易测试,因为它们可以在晶圆级测试,Veeco的帕兰杰佩说。需要丁与晶片边缘发射激光,然后其余的设备需要使用这些芯片构造。

“VCSELs的优势是整个数组可以制造一个死,”帕兰杰佩说。“你能做的晶片,晶圆和圆片测试。与边缘发射激光,您需要测试个人先死,然后设备。”

这也增加了大量的时间生产这些模具,进而增加了成本。但更大的问题是,所有的这一切需要发生在系统的上下文,因为热量可以分布在一个死亡或在一个系统,和严格的公差意味着热力和电力预算可以添加剂。加入硅光子学和信号完整性成为很重要的问题。

这还没有迷失在半导体供应链。流程设计工具和设计流正在开发或调整,以适应这些类型的问题。实际上,这些限制性设计规则伴随任何新的制造过程。

“铸造厂和专业设计公司正在开发此后,基本构建模块的设计工具,“Jigesh Patel表示业务发展经理光子学在Synopsys对此解决方案。“在设计流程,此后正变得越来越普遍。此后也不同流程在不同的铸造厂。”

讽刺的是,严格的设计规则被应用于年长的几何图形,这是大部分光子学的工作正在发生的事情。尺寸更大的原因是,尽管过程光学芯片,这些芯片上的各种元素需要尽可能精确的在小得多的节点或他们可以扭曲或干扰信号。“侧壁粗糙度是最大的问题,”帕特尔说。

现有的设计工具也需要改进,处理所有这些问题。“这对热模拟需要更精细的分辨率,“ANSYS的Chang说。

包装选项
解决这些问题的一个方法是利用先进的包装,die-to-die通信可以使用低功率运行以光速限制较少的区域。3 d-ics特别有吸引力,采用散热速度有所放缓,在应用,如网络和exascale计算机性能是至关重要的。

内部数据中心,需要更紧密集成和光子比今天做的更好的特征与插件模块。这种方法还允许供应商建立更好的激光监视工具,包括激光的统计建模失败,是基于多种因素。它也将允许他们构建故障转移功能。

“VCSEL互联,我们品牌,作为四个激光/纤维,但是有五分之一的人包括在内,“说惠普实验室Seyedi。“如果其中一个四死,你踢在第五,它扩展了包。可插入现在不能这么做,因为形式因素是累坏了。没有备件,芯片上的空间。每平方毫米。但因为我们最终co-packaged光子学移动,它允许我们建立更多的冗余。”

在3 d-ics,内存直接堆放在逻辑和连接在矽通过,光可以帮助减少热的问题。但它只会工作,如果休息设备的特点是将热在光的影响。在这一点上有越来越多的认识到问题的存在,但仍有许多工作要做,使这是可预测的,并且具有成本效益,因为沟通在铜导线。

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