适合中国的新赛道——硅光子!

2023-06-05 12:29:05 来源:EETOP

随着 AI、通讯、自驾车等领域对海量运算的需求渐增,在摩尔定律的前提下,集成电路的技术演进已面临物理极限,该如何突破?

有一项技术,它让IBM早在20年前就积极投入,称霸CPU市场多年的Intel也早已投资这项技术超过10年的时间,中国大陆更是将它视做半导体发展突围的武器,而以色列也把它列为其国家科技发展重要项目之一。

这项技术对一般人而言显得陌生,但却吸引Apple、NVIDIA、台积电等巨头公司近年来陆续投入研发打造,它就是集20世纪两大最重要的发明硅集成电路与半导体激光大成的硅光子。当电子结合光子,不只解决原本信号传输的耗损问题,甚至视为开启摩尔定律新篇章、颠覆未来世界的关键技术。

集成电路(IC)将上亿个晶体管微缩在一片芯片上,进行各种复杂的运算。硅光子则是集成电路,把能导光的线路全数集中。简单来说,是在硅的平台上,将芯片中的电信号转成光信号,进行电与光信号的传导。

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随着科技进步迅速、计算机运算速度提升,芯片间的通讯成为计算机运算速度的关键。去年 ChatGPT 刚推出,问答过程中易出现卡顿、跳掉的状况,也和数据传输问题相关,因此 AI 技术不断升级时,维持运算速度是迎接 AI 时代的重要一环。

硅光子能提升光电传输的速度,解决目前电脑元件使用铜导线所遇到的信号耗损及热量问题,因此台积电英特尔等多家半导体巨头已经投入相关技术研发。

但在介绍硅光子应用与瓶颈前,我们需要先了解光电收发模块的运作原理:

光电收发模块如何运作?

先想象光电收发模块是类似 USB 的长方形模块,插入电脑后才能读取信息。换言之,光信号必须先进入该模块,才能将信号打入服务器。

传统的插拔式模块(transceiver,又称收发器)内部有许多光电组件,当光信号进去模组里,会需要光接收器(PD,Photodetector)来接收光,之后信号源进入模组,因为光电效应产生的电流很小,需要放大器(TIA)将电流信号放大,同时把电流信号转换成电压。

电信号进入主机后会遇到交换器(Switch),能将电信号进行处理、转换,判断电该从哪个轨道出去,出去后经过光调变器(Optical Modulator),同时搭配激光光源输入的情况下,将电信号再切换成光信号,这就是光电收发模块的概念。

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硅光子和光电收发模块有什么关系?

一个光电模组包含光接收器、放大器、调变器等许多组件,过去这些组件都是个别、零散地放在PCB板上,但为了提升功耗、增加信号传输速度,这些组件改成全整合到单一硅芯片上。

在硅平台上的光电信号转换,都能算在硅光子技术范畴,过程中需克服的面向也不同。也因此,为了让读者更好理解,我们会以硅光子发展至今的每个阶段,作为分享的主轴。

集成电路下一步集成“光”路:硅光子三部曲

硅光子第一阶段:从传统插拔式模块升级

硅光子已默默耕耘20多年,传统的硅光子插拔式外型非常像USB接口,外接两条光纤,分别传输进去和出去的光; 但插拔式模块的电信号进入交换器前,必须走一大段路(如下图 b),在高速运算损失又多(大),所以为了减少电损失,硅光元件改到接近服务器交换器外围的位置,缩短电流通的距离,而原本的插拔式模组只剩下光纤。

而上述这个作法,正是目前业界积极发展的「共封装光学模组」(CPO,Co-Packaged Optics)技术。主要是将电子集成电路(EIC)和光子集成电路(PIC)共同装配在同一个载板,形成芯片和模组的共同封装(即下图 d 的 CPO 光引擎),以取代光电收发模组,使光引擎更接近 CPU/GPU(即下图 d 芯片),缩减电传输路径、减少传输耗损及信号延迟。

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据了解,这项技术能降低成本,数据量传输提升8倍,提供30倍以上的算力并节省50%功耗。但目前芯片组的整合仍处于现在进行式,如何精进CPO技术,成为硅光子发展的下一个重要步骤。

解决 CPO 瓶颈然后呢?硅光子第二阶段:解决CPU/GPU 对传问题

目前硅光子主要在解决插拔式模块的信号延迟之挑战,随着技术发展,下一阶段将会是解决CPUGPU传输的电信号问题。学界指出,芯片传输以电信号为主,所以下一步要让GPUCPU透过光波导进行内部对传,将电信号全转为光信号,来加速AI运算并解决目前算力瓶颈。

硅光子终极第三阶段:全光网络(AON)时代来临

当技术再往下一步走,将迎接全光网络时代,意思是芯片间的所有对传全变成光信号,包括随机存储、传输、交换处理等都以光信号传递。目前日本已在硅光子导入全光网络这部分积极布局。

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硅光子如何开启摩尔定律新篇章?能导入哪些应用领域?

摩尔定律预测,相同尺寸芯片中能容纳的晶体管数量,因为制程技术推进,每18~24个月会增加一倍。但由于芯片是电信号,传输会有信号损失的问题,即使单位面积晶体管数量渐增,仍无法避免电耗损的问题。

然而硅光子技术的出现,以光信号代替电信号进行高速数据传输,实现更高带宽和更快速度的数据处理,使芯片不需挤更多晶体管数量,不需追求更小纳米和节点,且能在现有硅制程基础上实现更高集成度、更高效能的选择,进一步推动摩尔定律的发展。


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由于高带宽、小尺寸、低能耗和成本效益等优势,硅光子在通讯和高速运算领域极具发展潜力,可应用于生医传感、量子运算、机器学习、光学雷达(LiDAR)等领域。以激光雷达为例,若未来发展到Level 4~5的无人自驾车,面对复杂的外在环境,信号处理必须非常快速,以硅光子技术为基础的LiDAR传感是目前相当被看好的突破方式,这些应用潜力将带来革命性的变化,促进通信、医疗和科学等领域的技术革新,开创更智能、高效的未来。

硅光子目前技术瓶颈在哪?

目前硅光子在元件整合上仍有诸多挑战,首先是接口沟通语言问题,举例来说,半导体厂商虽然了解电的制程,但因为光子组件效能对温度和路径都很敏感,制程上线宽与线距对光信号影响相当大,若要开发更高效的光子元件结构和制程,需要一个沟通平台,提供设计规格、材料、参数等,进行光电厂商的信息语言整合。

再者,短期硅光子用于利基型市场,各类型的封装制程与材料标准也还在陆续建立中,大多提供硅光芯片下线的晶圆代工厂都属于客制化服务,或者不方便提供给他厂使用,缺乏统一平台恐阻碍硅光子技术的发展。

除了以上提到的缺乏共通平台外,高成本制造、光源集成、组件效能、材料匹配、热效应和可靠性等也是硅光子制程瓶颈之一。随着技术的不断进步和创新,预计这些瓶颈在未来数年到十年内有望得到突破。

哪些大厂已经卡好位

事实上,这个看起极具潜力且正准备高飞的技术,是由IBM带头,尔后不少企业、研究单位、学术界纷纷投入20年的成果,其中,Intel是最快推出量产产品,市占率甚至达5成的龙头企业。而Leti、Imec、Ime则是深耕这个领域许久的研究单位; 在设计端则有被 NVIDIA 投资的Mellanox、被 Cisco 收购的 Luxtera 与 Acacia、Finisar、Avago等公司投入研发。

在晶圆制造的部分,以GlobalFoundries的投入最早,台积电则在近年来积极布局相关技术,2017年与Luxtera共同开发新世代的硅光子技术,尔后也在封装段也布有COUPE(compact universalphotonic engine,紧凑型通用光子引擎)硅光子芯片异构集成技术。而封测大厂日月光也在相关技术布局了 20 年之后,在去年正式推出 CPO 装技术,并且成功进入博通硅光子产品供应链。

中国大陆对于硅光子产业的投入也不容小觑,因为硅光子芯片制造可以沿用半导体既有十分成熟的CMOS制程与机台,且主流制程落在45到90纳米,这对擅长IC设计但制程相对落后的中国大陆半导体产业而言,反而视之为其推动区域半导体内循环策略的最佳致胜捷径。就以在全球进行并购的华为为例,其并购标的包含了英国集成光子研究中心CIP Technologies、比利时硅光技术开发商Caliopa。中国政府甚至在武汉设立了东湖高新区光电园,全力打造硅光子相关技术。

对于拥有半导体制造完整产业链与先进制程优势的台湾地区而言,虽然前十年投入硅光子技术研发的厂商有限,但近年来半导体制造供应链正低调地卯足全力投入这项技术研发,希望能在硅光子技术上再度复制半导体成功模式。正如日月光研发副总洪志斌所言,硅光子无疑将是“一大技术杠杆、同时也是新兴应用的新支点,能够触动出新型态与新世代的数据中心,并且带动各种新兴数据密集型应用”的重量级技术。


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