硅光子学集成做好准备

长途通信和光学组件的数据中心是巨大的买家,这是导致技术的快速进步和打开新的市场和机会。行业适应满足要求,解决瓶颈在设计,开发和制造的集成硅光子学。

“看在云计算使用的网络带宽,搜索和社交网络,”布莱恩·韦尔奇说Luxtera产品营销主管。“这些家伙跑大型数据中心和他们只是消耗的大量的带宽,远远超过所有其他的市场总和。下一个地方可以竞争对手规模是5克推出广播。”

但它不仅仅是带宽了。集成硅光子学有能力从根本上改变计算的一些概念。这个行业才刚刚开始看看什么是可能的。

硅的重要性
在过去,光子学是使用专业晶圆厂捏造的,通常基于磷化铟(InP)。“硅使公司获得更大的规模生产,“断言罗陀纳Inphi首席技术官。“硅使用8英寸和12英寸晶圆(200毫米或300毫米),与一个3英寸或最多4英寸晶圆(100毫米)的输入。制造业的规模是不同的。硅也利用制造工艺,如植入。这些都是非常常用的硅光子学、但不常见的输入,腐蚀是用来形成一定的结构,然后使钝化他们。”

Luxtera的韦尔奇指出,除了成本低、硅光子学是令人难以置信的高容量。“如果你使用CMOS铸造,他们的能力是无与伦比的,”他说。“过去,缓慢的生产推迟了采用光学解决方案

要300毫米的另一个优点是,铸造厂更有可能使用先进的制造技术。“虽然你不需要太棒了光刻技术光学,它不会伤害,”韦尔奇说。“结构是巨大的晶体管相比,大多数光学结构无限带宽,所以他们不需要像你需要扩展规模CMOS更快。”

图1:集成光子学。来源:Luxtera

事实上,讨论节点大小并不对光学有意义。“一个光子的波长相当比电子的波长,”指出纳。“这就是为什么电子产品可以去7 nm节点。然而,标准硅光子设备在130 nm和180 nm节点,这是通常使用245纳米光刻线。光学设备不同于电相敏。侧壁粗糙度和损失。当这些东西不是很重要的节点,是很重要的。这是光刻和蚀刻的质量更好的节点,但在更大的范围内。”

虽然您可能不希望使用一个7 nm节点,发展可能间接的帮助。“所有我们已经取得了进展减少线粗糙度小盖茨适用“Gilles Lamant指出,杰出的工程师节奏。“铸造厂是投资收益率和光子过程的控制更好。你会发现当你听到GlobalFoundries说他们正在他们的平台更大的晶圆厂或更现代的晶圆厂。这不仅意味着更多的死亡/晶片,但也意味着他们针对设备更先进和有更好的控制。”

现在的问题是,光子学不使用传统的CMOS工艺,这限制了铸造厂愿意生产设备的数量。“您想要使用的所有工具中存在的铸造和我们希望尽可能少的偏差,”韦尔奇说。“我们不想要一个专线或特殊工具。我们希望我们的晶片作为先进CMOS运行在相同的进程。这就是我们得到的成本和规模。很多工作进入了技术,在这方面似乎很简单,但它是具有挑战性的。”

和某些挑战仍然存在。纳点大。“你需要锗探测器,和纯锗增长仍然是一个挑战。”

集成
集成是数据中心的司机。“集成真正重要的,因为它可以降低成本,”韦尔奇说。“当你优化成本或权力,你会向更多的一体化发展。所以你可以接近开关,直到最后你在开关,实现最大密度。这是相同的铜。以前有离散物理,但随着时间的推移,他们在更高密度的集成开关本身。同样的将在光学。”

在光子学有两个典型的集成方法。第一个使用混合模,光子学元素直接在CMOS死所以CMOS晶体管在同一衬底光子的元素。这是由Luxtera的方法。然而,大多数人仍然做一个multi-chip设计,具有光子和电子CMOS死而死。

“光子学死一般低成本制造,”克里斯说锥,定制的集成电路设计公司的产品营销经理导师,西门子业务。“他们生成的低技术节点如130或65海里,和光子学死往往更大。这意味着他们可以flip-bonded, CMOS死保税在上面。在这个领域我们看到很大的进步。想象一个CMOS模翻转保税的光子学死去,这死有点大所以你可以使用它作为一个插入器。然后你需要访问CMOS模,需要某种形式的在矽通过(TSV)方法获得电信号。”

一个重要的问题仍然存在。激光本身。”活动的主要问题是集成光学元素,通常是从汤姆斯激光,”马丁Eibelhuber说的业务发展副总裁电动汽车集团。“这些激光器的性能无法满足硅设备,因此不均匀材料集成是必需的,这是不常见的标准CMOS基础设施。晶片直接键合技术已经被证明是一个优秀的方法,结合不同的材料——允许以低成本高质量的集成。由于几何约束,一个完整的薄片焊接方法不首选硅光子学集体死亡,从而转移过程利用等离子体激活直接成键了。”

设计流
技术更容易需要工具,过程和流动。“我们在努力提高光子设计更高层次的抽象而增加更多的自动化,”汤姆·沃克说,集团研发主任Synopsys对此的光学解决方案组。“这两个因素是重要的,使更广泛的设计师创建自定义光子集成电路设计。”

从此后开始。“Synopsys对此和节奏都是增加他们的产品在这一领域,”纳说。“Synopsys对此只是收购了一家公司在这个领域(凤凰软件)。有必要此后的自动化,并与导师合并工具设计规则检查(DRC)和节奏的工具做的模拟/数字模拟和等效Synopsys对此。有一整套的光学工具,需要移植到这些流动。这是慢慢发生的。”

今年一些铸造厂宣布此后。然后你可以在一个阶段的抽象。

“设计过程分为不同的水平,”沃克解释道。“每一层暴露功能增加抽象的设计师,虽然下面隐藏的内部运作水平。第一级对应的物理布局。这里的几何和材料特性是为了创建控制结构,定义组件和连接。级别以上电路,信号行为被定义为单个组件连接到电路。”

在模拟世界里,下一个抽象层次通常被称为参数化的细胞或PCells。“如果你的设计主要是PCell-based从标准厂、设计环境有助于一些自动化,“继续纳。“你可以买一个知识产权放,在核心。如果你是高端,你处于前沿的设计往往是一个专家驱动过程。工具到达那里虽然还远未成熟的电子或通常可用的IP核,但一些铸造厂开始提供PCells。”

设计验证的另一面。“当你正在谈论的从上到下架或从左到右的卡片,能够有一个完全的系统仿真开始变得非常有趣,”节奏的Lamant说。“你需要AMS加上光学模拟器。没有模拟你计划足够健壮,中继器,但对于较短的距离你想尝试和优化,减少能源消耗。”

光学组件的集成还创建了一些有趣的新挑战。“光有反弹的趋势,”Lamant补充道。“所以你向前传播的光,但有一定的光会弹回来,你需要模型。这就是在混合光学模拟器真的有帮助。如果你有一个方法,你用一个数学模型传播信号,如Verilog-A向后,宣传需要大量的额外的方程。”

另一组问题出现在电子和光子聚集的地方。“当你开车一个光子接口,你遇到的问题很多噪音和大量的热量,必须占,“导师的锥说。“没有人提供这种能力。所有这一切都归结到界面,非常高,达到数万吉比特每秒,开关驱动调制器连接或移相器,并生成一个EMI签名,你都必须考虑到。同样,从一个光电探测器,你会有一个非常敏感的输入进入跨阻抗放大器。你必须保护这噪音来自其他地方的线路。”

这电活动,它产生的热量,可以创建为光学困难。“你可以看到巨大的光的相位变化通过改变温度1°C,”指出Lamant。“有一些不错的方法来调光电路,虽然这可能是一个优势,我周围的所有电子产品很快在超过1°C的变化。这是一个非常敏感的调优机制也是一个大问题。这是一个地区的投资和研究。我们需要有一个更好的理解在动态热影响。对于电子产品,它通常是看作为一个二阶效应。但对于光学,热是一个一阶效应。如果你看一个组件从此后从铸造,你会看到很多热调整组件。所以它不可以离开,直到验证阶段。 It is a first-order effect.”

Lamant解释说,光子电路需要找到一个热平衡。“当你想要创建在光子学0和1,你要么试图调整阶段或位移他们建设性或破坏性的干扰。你正在向前或向后通过加热一些重新调整的相移的影响。”

EDA是应对挑战。然而,圆锥有一个警告:“光子学是完全不同于电子社区,我们需要提供解决方案来满足他们的需求,而试图迫使光子学社区坚持EDA设计的严格的规则,我不相信这是正确的方法。”

一个光明的未来
而像电子和光子不会遵循路径摩尔定律,这个行业才刚刚开始向光子回路的可能性加大。从麻省理工学院Lamant指出了一个有趣的发展。”光物质有一个光电倍增器中使用吗机器学习应用矩阵系数。光子电路本身非常简单,但执行的功能是非常复杂的。”

矩阵相乘的性能限幅器在机器学习和消耗大量的电力。与光学等效可以更快的执行和极少量的权力。

其他应用程序可能会被发现。Lamant警告说,“一个重要的考虑是,数据必须转换成一种适合光学,这需要能量。的权衡是否值得把电子信息转换成光,这样就可以将消耗和处理在一个光学加速器。最好还是把它作为电子支付更高的成本?这是一个系统级的权衡。”

锥指向另一个有趣的研究。“看看HPE实验室和机,这是一种memory-driven计算。他们提供了一个视觉计算的未来,这是photonics-based。”

这个假设与硅光子学发展大型集的节点连接通过一个单一的纤维和他们都是交谈几乎瞬间。“这soc架构的改变我们的知识的影响,一切都是基于电气连接,“锥说。“我们看到公司意识到他们不需要使用传统架构,模块化和谈判的通过一些接口。现在一切都可以在同一时间互相交谈。我们仅仅看到表面的这种转变,推进产品的电气方面。”

集成硅光子学是得到了很多的世界更紧密的和必要的工具和流进入的地方。很快它将由行业想出最创新的方法来使用它。

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