硅光子学开始进军

集成光子和电子在同一模具还有很长的路要走,但包装的进步和改善硅光子学使它可以使用光通信由于各种新的应用程序。

利用光学芯片之间的通信,或独立的模块,最终可能对芯片设计有很大的影响。光子穿过波导比电子铜线更快,需要电力驱动光信号远比电信号。此外,还有整个光谱的选择使用,最微不足道的散热。到目前为止,这仍然是一个很大程度上尚未开发的选项在半导体设计中,但这是开始改变制造工艺和包装开始成熟。

“有很大的开发工作,现在有许多可用的工具在包装和铸造方面,”埃里克·拉斯穆森说,模拟ASIC设计三角洲微电子。“有对不同波长不同的铸造厂提供不同的二极管。你可以让他们优化各种各样的东西。现在我们有一个完整的工具箱,这意味着你可以玩玩这个成本要低得多。力学和包装的所有开发和过程。大多数事情。现在我们有一个巨大的工具箱,我们可以开始使用有趣的应用程序。”

这些应用程序从麦克风到医疗器械,反射的光被用来测量振动或温度变化。在一个光学麦克风,例如,一个光学激光光在反射膜。声波冲击膜,反射的光可以测量并转换为音频信号。这个特别有吸引力是麦克风的头和电子可以分离,限制各种类型的干扰,光信号不受磁场的影响。虽然这工作在一个典型的麦克风,它也开启了大门使用光磁共振成像(MRI),因为信号不受电磁干扰影响。

“当你有正常的图像传感器,数以百万计的像素,”拉斯穆森说。但是对于一个专门的任务,可能不是必要的。因此你可以显著减少。也许你只需要64像素。如果你考虑医疗应用程序,你需要检测一个非常小的粒子的形状吗?这就是我们正在调查。你怎么利用这个的方式使用非常低的能量。”

移动大量数据
这是一个完全不同的方法比使用光之间移动大量数据服务器机架和外部存储器,芯片之间或在一个包中。但它确实显示多远光学通信发展。直到几年前,甚至没有标准的方式连接的光信号死,或纤维连接到内部数据中心服务器机架。有了明显的改变,推动光通信设备水平现在是可能的。

于光子模块将成为下一个大步发展的光电集成,这种技术的一个主要推动力,根据Gilles Lamant,杰出的工程师节奏。Circuit-board-mounted包不方法完整的光电集成,但他们是一个进步超越top-of-rack连接或光学端口连接到chassis-server front-plates,光电连接的现有标准。

最终的目标是将电子IC、光子集成电路(PIC),互补金属氧化物半导体的司机甚至收发器/接收器和激光一起在同一芯片上,在这一点上,这是一个远离现实。

“那是不可能的,”诺曼说,首席技术专家半导体业务单元有限元分析软件。“把一切在一起的是一个长期的目标行业。现在最接近我们能把所有这些组件在3附近d-ic配置”。

事实上,就能够把包包含光子界面内的衬底架是一大步除了光子以外的服务器上连接底盘,Lamant说。“Co-packaged光学确实是现在正在发生的事情。我们不是尽可能靠近处理器和内存,但(最亲密的连结点)不再顶部的架子上。公司Rockley演示设备,取代长岭铜追踪过去在黑板上的叶片很短延电子链接,出来的是纤维和所有的丝带包。”

把连接器内部,电路板上的机架式交换机或服务器,不提供真实的目标/光子集成芯片设计师和研究人员几十年来一直在努力。但这的确意味着纤维可以取代一些铜在董事会层面的I / O通道,并使fiber-to-the-server连接更容易管理,Lamant说。

能够运行纤维在数据中心服务器将是受欢迎的,这是淹没在涨潮的用户和机器生产数据。,这将导致光子芯片制造商的相对low-volume-sales世界电信和光学网络市场,进入数据中心服务器市场,这就需要大批量生产、设计和规划的效率要求。

也开始增加规模经济到光子学,压低成本,使其吸引EDA和设备公司这个部门提交资源。

“行业路线图显示光学或硅光子学”Eelco伯格曼说,高级销售和业务发展总监日月光半导体。“纤维到最后连接的开关通过PCB,但长期你想移动光学开关BGA。如果你直接挂载在BGA它变小的形式因素,你可以连接另一个包。使路由简单。你不必处理微分对,但你有电子路由的复杂性光学引擎。长期来看,硅插入器可以成为一个光子集成电路。今天,它是一个光子集成电路基础平台。这是一个被动的一部分用于路由。”

EDA工具
不过,几年前这一切都是可能的。

“在很多方面我们坐在这里几乎在2020年,我们处理的是几乎像CMOS设计测试从1980年代初,“汤姆Daspit说定制IC分工的产品营销经理导师,西门子业务。“没有建立一套最佳实践,每个人都有不同的想法如何做事,所以这是野生西的没有一个指导原则。我们知道很多关于这个过程,但是没有抽象。工具可以为用户自动化的过程只是没有。和你处理铸造,是用来制造晶体管。你来,说,‘我需要这些设备处理光和电气连接,。他们没有准备好。”

在这方面已取得一些进展,尽管。“有一种感觉,整个行业进入这几年前早一点“杜安说去骨,麻省理工学院的电气工程和计算机科学教授。“但现在你看到Ayar实验室与英特尔合作和推动硅光子学在CMOS。这是一个成熟的平台,更容易集成光子学与数字。但有一件事我们需要更多的是设计制造”。

光学网络完全集中在电信市场如此之久,既定的设计和制造的最佳实践都是面向卷低与数据中心市场规范。验证过程也使得很多机会。

“在光子学,我们看到了很长一段时间,人们就采用了correct-by-construction方法,他们设计一些东西,发送出来,拿回样品,发现它不工作,所以他们找出什么问题和发送到制造业和绕这样直到你得到一些有用的,它应该的方式,”约翰·弗格森说营销主管Calibre刚果民主共和国在导师应用程序。“设计师往往是博士来自假设他们知道如何设计光子学,因为他们已经做了10年。但有时你想提醒他们,他们用来与光子的组件设计的事情,你想让它有数千或数百万的组件和制造更多更快比他们一直在做的。”

图片设计工具的数量可能是低于用于电子产品,但这并不是最重要的,业务发展经理米奇•海因斯说Synopsys对此。“下一个大事件是整合他们,所以你要做的是找出我们如何把这类东西到合作设计的环境中。照片的成本现在可以80%到90%的计划。电子就像这一次,当一切都是一个组件,之前他们都集成到电路板。我们有三个几十年的经验设计电子产品,提高效率和降低成本。它将与图片相同的方式工作。我们将集成块,这将使价格下降。”

硅光子发展没有刚刚被缺乏工具,。的规模和物理光学电路与电子是如此不同,甚至很难把它们相同的表面,更不用说让他们有效地一起工作。

“光子元素是巨大的,一thing-microns,纳米,“Daspit说。“这是一个原因这了这么长时间。最初的想法是,我们可能需要一个硅的过程已经用于电子制造业和迁移到使用光子学,一切就好了。这不是唯一的原因,但是光子元素是巨大的和你不想花的费用为10 nm模块占用一个巨大的空间,只包含几个元素。另一方面是,我们已经有很长一段时间在电子产品设计从错误中学习。他们没有时间,在光子学呢。”

它也需要一种新的思维方式对芯片设计。

“一切都在电子方面是直线,但光子学是弯曲的,而身上并不适用,如果你只需要一个设计和渲染成GDSII,它不支持曲线,”弗格森说。“一切都是矫正,但你需要不同的工具或不同的技能,甚至现在工厂可能没有技能或特定工具来解决一个问题。它需要时间去适应的工具和最佳实践开发和传播。人们正在研究它,但现在还没有。”

装配和包装也是不同的。调整纤维连接芯片的边缘漏斗的波导匹配一个元素意味着可能与另一个可以测量200海里只有在微米,但元素的对齐是完美的在三个dimensions-much更准确比电动连接铜、或光不能通过。

“大部分是使用活跃的对齐,所以人类参与的东西搬来搬去了,“亨氏说。”这一规定发挥的作用很好,在一个研发实验室,但在生产任何卷你不能这么做。”

弯曲的组件和设计规则检查光子的差异layout-vs-schematic(lv)测试验证更复杂。缺乏具体的指导,为光子组件工具和规范也使得电路仿真更加困难通过返回false违反电子设计的元素,可能会导致短但对光子学完全有效,据一位分析由奥马尔El-Sewefy半导体工程,刚果民主共和国在导师硅设计部门的技术领先。

图1:比较lv硅光子学技术显示了优越的风靡lv的报道。来源:导师,西门子的业务

测试和其他挑战
测试选项,与此同时,很少有足够的,许多公司最终建立自己的自动测试设备光子学因为传统独立吃不考虑光子设计的古怪,大卫·霍尔,主要营销经理国家仪器。

“我们看到的一个挑战,因为这些奇怪的配置、电子和光子设备不容易集成,”霍尔说。“你不能把光子收发器在一个典型的套接字的方式您可以与大多数包部分。仪器接口是非常不同的,电源管理IP或DAC和ADC,而不仅仅是提供电压和电流,你提供的光。很少设置测试设备来处理。”

热敏感是另一个问题。虽然光产生很少或没有热,散热从其他电路和激光本身会导致一些问题。

“你有一个大,热ASIC坐在旁边的纤维,它可以扭曲整个光谱波长将饮食结构激光是另一个大热的元素,“亨氏说。“你必须知道你可以保持纤维在相同的温度即使它不是过热的ASIC或激光,但有时你会想把细碎的暖气太电阻、没有大,以确保你可以控制温度,不仅防止过热。”

整个福利,包括激光、波导电子IC,图片和CMOS司机个人和集体在温度变化非常敏感,包装设计应该包括控制,最小化的区别塞在电路板上的齿条和一个山,ANSYS Chang说。

“内部服务器框,风扇和散热器的操作,只是硅光子学模块外的温度,“Chang说。“只要你有良好的内部控制方案,这是我们寻找的。有电感,相声、信号完整性和电源完整性,高频分量的影响,热,机械应力。但是如果你不能控制包内的热梯度,你不能控制硅光子学的性能。不成则败的问题3 d-ic硅光子学的阶段。”

还有其他问题。成本,例如是一个大问题在大规模生产的实现,但这不是问题,在一些市场,可以跨系统摊销成本。

“我看一个项目现在X-Fab有光敏二极管在他们的图书馆,“三角洲的Rasmussen说。“我们当然可以使用很多东西还没有可用的。尤其是在包装方面,有一些非常好的包装房子,可以做一些非常有趣的东西。这是定制的,但是他们已经做了很多次,它不花费之前,还有更好的控制公差。”

结论
这种方法是开始扩散,市场预测反映这些变化。

“铜不是结束,”Lamant说。“有些地方铜不工作,是有限的,但也有公司确保你可以去50 gbit /秒,但你看到很多公司正在使用它作为一种B计划,以防计划不起作用了。这是一个降低风险的方法,因为铜有很大,稳定、成熟的行业。但他们知道B计划不会永远持续下去。”

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