光子学移动接近芯片

硅光子学是重修的阴影,十多年后由需求将大量的数据更快,用极低的权力和以最小的热量。

直到最近,在光子学的关注集中在服务器和存储之间移动数据。现在有越来越多的兴趣在PCB水平和异构multi-chip包。政府、学术和商业投资这项技术都在上升,有了乐观,这项技术将成为有用的在更多的市场和应用程序。

”在2000年代早期有很多能源被放入光子学、“Gnyaneshwar室利罗摩克里希纳说,光子学技术委员会主席为IEEE的组件、包装和制造技术的社会。“这平息了一段时间。但是现在,我们可以显示25 Gbps 100 Gbps的速度,光子学是在很大程度上回来。它被用于短期和长期达到在数据中心中,我们看到一个光子在模块级别的必要性。我们正在研究如何把它到一个董事会。最后,可以说,隧道尽头的光。”

在这一点上没有人知道这项技术将走多远,或当它的时间将开始出现在包或芯片。“把它变成芯片是每个人的梦想,“室利罗摩克里希纳说。“发生,建筑解决方案和技术需要进入的地方。现在,这些构建块在进步。发展规模需要供应链,生态系统,这需要时间。”

金钱万能
生态系统似乎是坚定,虽然。”硅光子学将是一个行业330亿美元到350亿美元,”首席执行官Sanjay Jha说吗GlobalFoundries,在最近的一次演讲。“将会有大幅增加。它将被用于所有的数据在汽车和机架的服务器之间的连接。将会有一个无缝的分布处理的数据中心。”

资金正在增加。2014年,美国政府创建了集成光子学制造研究所,由美国国防部牵头,有超过2亿美元的可用资金。到目前为止,三个州已经跳进水里,用自己的资金纽约,加州和麻萨诸塞州,越来越多的私人企业的支持。目前的资金,根据业内人士,目前仅略高于6亿美元。

所有这些工作的目的是增加效率和规模经济的硅光子学,随着半导体产业与数字逻辑和内存使用摩尔定律作为一个指南。硅光子学被视为一种移动更多的数据更有效、更安全,但是它的价格大幅下降到一个更广泛的观众。

处理器利用光子,光信号需要转换为电信号。研究正在进行处理和存储光信号,绕过整个转换过程,但是大多数专家认为这将是多年前一个解决方案是准备好了,甚至就质疑它是否将成本效益。

在这一点上,三国领导人在这个领域是思科,英特尔和IBM。这三人中,只有思科航运技术在各种设备的数量。

真正的主流,价格敏感芯片市场,必须解决两个关键问题。首先,需要有一个更好的方法来将一个激光器,光子学的光源,硅的平台。

”一个挑战是,激光使用III-V今天建造的材料,这本质上是不与CMOS兼容,“Kaushik Patel表示,思科硅光子学发展工程总监。“有与生长量子点激光工作正在进行,但现在激光离散部分。”

第二个挑战涉及如何扩展生活的激光。“今天的激光有有限的生命,”帕特尔说。“所以我们需要一种方法来有效地两光子,我们需要一种有效的方式来几个硅之外的。”

图1:对光子学的成本预测。来源:思科。

电子光学,回来
转换信号需要能量和时间。射频信号的光电转换过程需要调制激光二极管的输出,然后接收机信号转换为电。

数据中心内,信号可以由一个光缆。同样的想法为2.5 d包工作,其中一个是电,另一个是光死去。到目前为止,一个完整的系统,包含电气和光学没有商用一个死,也不可能很快出现。甚至有争论:2.5 d芯片使用标准光学和电子产品将比一个与现有CMOS建造的。

“现在它死没有意义,”德鲁Wingard说,首席技术官超音速。“它可能不会打败电气连接的性能在一个包。要一个合理的距离转换的延迟是有意义的。插入器的互连密度,你基本上可以把电线的问题。你有很多电线并行运行。”

Wingard说,直到这些问题被解决,光子学的有用性在SoC仍将是有限的。

有几个基本组件参与硅光子学。一个是波导,也就是相当于一个开关在电子世界。第二个是一个分束器,也称为多路复用器(mux)或信号分离器(多路分配器)。第三个是一个耦合机制,得到光子芯片。

有各种旋钮将在所有这一切。例如,波分多路复用创建不同波长可以共存或路由通过一个设备。其中一些可以进一步操作,因为光的折射率变化电场,称为克尔效应。

特别吸引人的是,它可以利用现有的制造技术在一个绝缘体,甚至大部分互补金属氧化物半导体衬底。导师图形建立了一个完整的光子流,包括此后,验证,和光刻仿真,就像将一个标准的芯片。到目前为止,业务一直缓慢。

“有很多人做研发,包括创业创新结构传感器,”Chris锥说罗盘座IC产品营销经理站在导师。广阔的市场”,人们仍在观望,但由于高速数据吞吐量和I / O,他们保持脉冲在光子。”

有更多的兴趣在这些天,。光子学在芯片设计解决一些非常基本的问题。“光子,光子的优点不互动,“锥说。“如果你把两个电子放在一起,他们相互排斥。多个信号使用的光子,可以捎带到纤维。这是一个多路信号的新方法。”

这是特别有趣的高级节点,因为薄栅氧化物和短通道宽度提供更少的绝缘和信号之间的距离。最重要的是,有更多的交通堵塞流中断,从动态功率密度增加的影响,更多的漏电流。电子信号的影响,但它在光学方面几乎没有影响。

光子学构建到芯片
在芯片级,第一个实现将在一个包die-to-die使用插入器,最有可能使用一个芯片用于光子学,另一个用于标准电子处理和路由。要么opto-electric转换将发生在它穿过一个标准硅插入器之前,或之后的信号使用光学插入器到达另一边。

“硅光子学是肯定非常有趣的专业公司,因为这是他们已经做的延伸,“Gilles Lamant说,杰出的工程师节奏。“但对于晶圆厂,除非他们有SOI过程,他们运气不好。”

他说,到目前为止,自动化是有限的。例如,光学模拟不同于电模拟,没有标准化的方法。虽然每个主要的EDA公司有自己的模拟器,他们基本上都是做同样的工作。这样的学习还不存在在光子学方面。

“如果我们可以添加传统电子光学设计方法,它将降低学习曲线,“Lamant说。“我们已经取得了一些进展。今天,光学(时间域和频率域)可以模拟电一起从一个示意图。从示意图,布局可以实现和验证(schematic-driven布局)。”

布局确实是一个大的变化,而EDA公司集中他们的努力。“拓扑,您需要连接一切一起波指南,“导师的锥说。“你可以有波导口岸,你蚀刻硅外延层,但是你必须退火胎侧光滑允许光线反弹。一件事的不同在于它有可能交叉波导。不会引起短,因为光子不互动电子做的。”

还有其他独特的考虑硅光子学。一个涉及通过波导连接。干涉仪中常用这类设备将梁,然后每个梁必须向分光镜反射回来,然后结合他们的振幅。这意味着5组件在一个电路,大多数芯片工程师通常不会遇到。

移相的信号是另一个选项,使用环调节器。通过使用一个均衡PN结和应用一个电场,这些信号可以调节和控制。干涉仪,信号可以召集了同相或阶段,它提供了更多的可能性。最重要的是,有偏见的调优。所有这些工作的结果是耗时的,但结果是有趣的。信号可以加快超出工程团队甚至可以想象在这一点上。

图2:光波可以添加或减去,基于阶段。来源:思科、基于数据从维基百科和英特尔。

事实上,的一个关键因素。一种装置,当涉及到电子元件,它们总是放慢片上和片外通信和计算。所有光学设备将几乎无限的计算能力,按照今天的标准,因为它需要很少的电力驱动信号,没有可衡量的热量,和信号可以移动速度是数量级的速度比电子通过铜。

“现在,这都是封闭的电气方面,“思科的帕特尔说。“一个光学集成电路在某种程度上必须处理一个电信号,可以切换电的速度。从这里将会发生什么,我们将扩展的边界光。光学处理在这一点上是昂贵的。这不是一个CMOS成本结构。但随着成本结构归结和关键问题的解决,将会改变。长征已经开始。我们将从电光电插入器插入器。”

结论
以另一种方式看,真正的瓶颈在光学设计不是在电气领域。摩尔定律和EDA供应商共同努力,设备制造商和铸造厂挤一分钱的努力的每一个部分。这个过程才刚刚开始在光学,它将需要数年时间来利用同样的规模经济。

这并不意味着不会显著的光学方面进展。好处是非常真实的,特别是随着摩尔定律变得越来越难以维持。电线太薄,造成热影响可靠性的问题,和多模式是缓慢而昂贵的。但至少在最初的版本中,光子将与标准的芯片使用某种形式的高速互连和数据将继续被存储在标准内存类型,从DRAM NAND和旋转的媒体。

光子在其中将扮演的角色是高速数据传输,移动可能随着时间的推移更接近实际的处理和处理器和存储。没有路线图的事件序列,但到处都是增加投资兴趣这种方法继续增长。

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