中文 英语

硅光子学成为焦点

使用光来移动大量数据看起来很有前景,但差距仍然存在,采用时间将因应用而异。

受欢迎程度

硅光子学作为数据中心内部铜线的配套技术正吸引着越来越多的关注和投资,这也引发了新的问题,即下一步会发生什么以及何时会发生。

光一直是速度的终极标准。它需要更少的能量来移动大量的数据,产生的热量比电力更少,并且它可以在长距离或短距离上同样出色地工作。此外,许多专家认为,通过光子传输的数据要比通过铜线传输的数据更难破解。

由于所有这些原因和其他原因,投资正在增加硅光子学.加州大学圣巴巴拉分校的一项研究显示,2009年至2015年间,论文数量翻了一番多,达到约1.4万篇。2005年,关于这一主题的论文约有500篇。不像过去,当大多数研究是由学术或政府来源资助,今天的资金主要来自商业来源

在其他方面也有切实进展的迹象。导师图形而且节奏有硅光子设计的工具流程。Synopsys对此与此同时,该公司一直在扩大其2012年收购RSoft Design Group时收购的光子学和模拟软件产品线。GlobalFoundries已经加大了在商业化过程中的投资。现在的问题是,该基础设施的开发、审查和提升速度有多快,才能将硅光子学应用于新的应用和新的市场。

长期目标是利用光子在芯片上传输数据,最终取代SerDes、传统互连甚至传统晶体管。但这可能需要10年或更长的时间。短期和中期目标更侧重于数据中心和网络内的数据,其中数据来自视频、各种类型的成像(包括嵌入式视觉和虚拟/增强现实)以及物联网传感器的激增。第一次大规模部署基于光的通信始于20世纪90年代,使用光纤为互联网奠定了主干。它已经扩展到数据中心,在那里硅光子学被用于服务器机架之间以及这些服务器和存储之间的通信。下一阶段预计将涉及封装内芯片之间的通信。

但要真正推动这项技术向前发展,还必须解决许多与技术和业务相关的挑战。基于砷化镓、砷化铟(InAs)或砷化铟镓(InGaAs)等材料的光源需要更紧密地耦合到制造工艺中,以实现规模经济,这在过去一直存在问题,因为这些III-V材料难以使用传统的硅工艺。

此外,根据加州大学圣巴巴拉分校教授、美国光子学制造研究所(AIM)副首席执行官John Bower的说法,需要工具来有效地处理波导和器件中的波导边壁粗糙度、空间分离和模级变化,AIM是美国政府和纽约、马萨诸塞州和加利福尼亚州大学的联合努力。

“现在需要的是延长这些激光器的寿命,”鲍尔说。“目标是4000小时。我们已经观察了2100小时,这对任何人的激光都不够。”

目前还不清楚这些变化将以多快的速度实施。尽管如此,对这个市场规模的估计至少值得一些关注。GlobalFoundries预计这将在三年内成为一个30亿美元的市场,这是由于工艺技术的不断改进,更容易地将光源融入硅中,这是该技术支持者指出的主要问题。考虑到数据的增长速度,硅光子学是一个非常短的可能的解决方案。

GlobalFoundries高级研究员Ted Letavic表示:“IP(互联网协议)流量是压倒性的带宽。“到2020年,移动数据使用量将达到每月30.6艾字节。”

Letavic认为,硅光子学的第一个重大影响将是数据中心的重新架构。他说,目前的想法是建立许多小型数据中心,并将它们与硅光子学连接起来,而不是一两个大型数据中心。“光学互连将取代铜,并用于增强微波和毫米波。使用5G,你将需要从数据中心到小型蜂窝的高速互连。边缘节点需要每秒至少1千兆比特,小单元和基站之间需要每秒16到25千兆比特。”

这种向外扩展将涉及异构网络,或者HetNets他说,这些将受益于光子学集成。然后,随着时间的推移,这项技术将迁移到2.5D、3D和整体封装中。“热光学效应仍然需要非常精确的模型,并且需要在波导设计上进行实质性的改进。我们还需要更结构化的工具集来提高可靠性。”

GlobalFoundries并不是唯一一家将硅光子学视为巨大机遇的公司。加州大学sb的鲍尔说,惠普企业、英特尔和瞻博网络都在积极追求光子学的异构集成。思科在这个市场上也有很大的投资。

简而言之,硅光子学依靠光波导而不是铜来传递光。真正的挑战是将光源整合到硅中,作为制造过程的一部分。目前的方法使用量子阱——基本上是在另一种III-V材料(如砷化镓)的层之间制造一种III-V材料(如砷化铟镓)的夹层。通过这样做,电子被困在垂直于层表面,以创建一个激光光源。

用量子点取代量子阱的研究正在进行中,量子点可以通过改变点的大小或形状进行微调。当电流施加时,这些点以特定的频率发出光。研究人员表示,这将降低集成光源的成本,降低功率阈值,并随着时间的推移提高可靠性。

004730 _10_fig1
混合硅III-V型光放大器。量子阱用红色表示。来源:学报

适应vs.再造
尽管光子学和硅基半导体在技术上有一些根本的不同,但也有一些重叠。

Bower说:“30层掩膜很常见,每个芯片有超过400个元件。“我们需要的是光子版的摩尔定律。”

还有其他相似之处。麻省理工学院电子和计算机科学教授Duane Boning说:“最敏感的参数,如线宽和边缘粗糙度,已经在硅中得到了处理。”“灵敏度滞后于IC应用,但随着GlobalFoundries从200mm工艺转向300mm工艺,光子学将有很大的改进。你得到了更好的过程控制。CMOS技术仍然领先几代人,但我们在光子学中看到的是,它正在收集足够的复制来理解更微妙的变化。例如,我们了解晶圆的厚度。我们不得不应对如此多的热量变化,我们不得不适应和调整结构。”

他说,其中一些方法可能很难转化为硅光子学世界,但它们不必被重新发明。

设计方面的技术也是适用的。Cadence的杰出工程师Gilles Lamant说:“我们在高级节点上学到了很多东西,比如自加热,该解决方案非常适用于光子学,因为它提供了热图。”“我们还处理了鳍片上的线边缘粗糙度,这非常适用于波导。它也有可能为光子学提供其他东西,比如为制造提供设计。”

Lamant补充道:“关键是要确保设计意图得到正确执行。”

硅光子学的工艺设计套件也在工作中。Mentor Graphics公司Pyxis IC站的产品营销经理Chris Cone说,要用光子学来创建一个设计,你需要一个PDK,并围绕两到三个专门的设备来构建它。“光子学是一个新的市场,所以基本上你是在围绕一种新颖的设备进行设计。但你仍然需要对DRC(设计规则检查)、LVS(布局与原理图)、光刻模拟进行验证,你仍然需要一个完整的流程,就像你在CMOS中做的那样。”

据PhoeniX软件公司首席执行官Twan Korthorst介绍,该公司于2008年开始与Imec公司合作开发用于硅光子学的pdk。

Korthorst指出,其他领域也在探索中,包括生物光子学,在生物光子学中,传感是用光而不是电子来完成的。“有些光并不局限于波导。它受到周围环的影响,你在环上涂了一层化学物质。所以这种化学物质可能对某些细菌很敏感。我们看到一些商业公司在生物领域与之合作。”

Mentor 's Cone指出了另一种生物医学应用,涉及由微毛细血管阵列创建的传感器。“你可以根据分子来源对分子进行分类。然后使用光学与它们相互作用,发现血液中潜在的病原体。”

其他方面也取得了进展
虽然硅光子学可以大大降低延迟,但它并不是唯一的难题。为了让数据以光速移动,其他一切都必须加快速度。这意味着信号的处理和路由需要比现在快得多。在芯片层面,这最终可能成为一个需求,因为越来越细的电线RC延迟,更薄的触点,以及最先进节点的介质故障预测。

公司营销副总裁Mike Gianfagna说:“人们总是需要越来越快的通信速度。eSilicon.“我们已经在高端网络和计算领域看到了SerDes。我们还在高带宽内存和关键任务堆栈之间的接口中看到了这一点。对更高带宽的需求保持稳定,这使得SerDes成为目前最关键的元素。这就像现在的门票价格。它已被证明具有可靠的部署。”

这能持续多久,SerDes什么时候会失去动力并为光子学提供机会,这些都是未知的。

“在网络领域,一直有关于高带宽、低延迟技术将取代SerDes的讨论,”at的营销副总裁Kurt Shuler说Arteris.“对于某些细分市场的一些芯片,光子学可能会起作用,也许在未来我们会看到它是芯片对芯片的。我们一直在与CCIX(加速器缓存相干互连)联盟合作,其中所有内容都将使用CCIX控制器在PCIe PHY上运行。在未来,这不会出现在黑板上。但你仍然需要物理连接,而光子产生的热量更少。”

Shuler表示,在芯片层面,最大的瓶颈是SoC和DRAM之间的通信。“如果你看看高带宽内存(HBM)和混合内存立方体,每个人都在试图解决这个问题。但DRAM仍然更慢、更便宜,因此考虑到这种限制,如何让所有东西都运行得更快呢?一个解决方案是增加更多的SRAM。您可以内置缓存一致性和代理缓存,如果任何元素都可以使用它,而不是只有一个处理器,这将会有所帮助。但对于DRAM,它不仅仅是延迟和带宽的问题。这也与权力有关。”

这就是光子学的优势所在。“如果你看一看路线图上的趋势,就会发现有一种远离硅的趋势。手臂的家伙。“这包括锗和砷化铟镓等材料。光子学不会成为其中的一部分是不可想象的,有一天你会看到一个专门的光子学芯片封装在一个真正关心性能的人的包里。我们也可能看到等离子体的发展。凭借纳米制造能力,你可以制造正确的薄膜厚度和图案,并将光子转换为等离子体激元。”

但是,所有这些技术能多快融入一个充满活力的市场机会,可能取决于其他技术的表现。一个经典的比较是在以太网领域,每个人都认为,当无线变得普及时,以太网将会消亡。结果恰恰相反。

“由于规模经济,工业都在转向以太网,”中兴通讯交换机产品线高级总监周立新(Lixin Zhou)表示迈威尔公司.“如果你看看高性能计算,现在大多数都是基于以太网的。以前是InfiniBand和Fibre Channel。现在是以太网光纤通道。”

当以太网在1980年引入时,它的传输速率为2.94 Mbits/s。最新的以太网速度高达100 Gbps/秒,现有收发器内部的以太网速度从25 Gbps/线增加到10 Gbps/线(四线连接),这也提供了更细粒度的流量控制。

这是否足以抵消光子学等更快技术的采用可能取决于应用,但关键是没有什么是静止的。因此,虽然光子学肯定已经在地平线上,但时机需要在其他技术的背景下考虑,坚持摩尔定律的挑战,以及其他各种与光子学只存在切线联系的问题。

结论
光子学的前景是巨大的。目前还不清楚速度是否会成为主要驱动力,或者动力和热效应是否会推动它向前发展。可能是其中之一,也可能是全部。但目前尚不清楚这将在何时发生,也不清楚将首先在哪些市场发生。

这是一项仍处于起步阶段的技术,通过制造流程,电子设计的几乎每个方面都在发生变化。量子计算、神经网络、人工智能和机器学习所有这些都将对移动数据的体积和所需的速度产生影响,而光子学将是其中的一块拼图。它能获得多大的市场,市场在哪里——它是继续作为服务器和存储机架之间的通信通道,还是进一步向芯片转移——什么时候都是个大问号。

然而,没有什么比光速更快,随着大量资金投入研究,这个市场似乎发展得相当快。

有关的故事
光子学向Chi靠拢p
随着半导体行业寻求更快的低功耗解决方案,政府和私人资金不断增加。
焦点转向光子学
使用光来移动数据将节省电力并提高性能;激光内建工艺技术克服了巨大障碍。



5个评论

witeken 说:

哇,没有一个人提到英特尔今年开始了他们的硅光子学业务。相反,我们得到了一些关于GF如何投资它的讨论。我想这对他们来说是件好事。

埃德·斯珀林 说:

英特尔确实在硅光子学领域投入了大量精力。这是之前一篇文章的主题,焦点转移到光子学。

witeken 说:

很好,谢谢。

memister 说:

制造波导,甚至透镜和镜子都很简单,但制造激光就不那么好了,因为激光是节能的。更不用说,即使温度变化,波长也不会漂移。

米歇尔·李 说:

我只是觉得SIlicon Photonics对新的硅厂商(如CompoundTek和IGSS)来说越来越容易接触是件好事

留下回复


(注:此名称将公开显示)

Baidu