芯片制造商开始认真考虑集成光子学

随着芯片制造商寻找新的方法来克服功率限制和处理不断增加的数据量，将光子学集成到半导体中正在获得越来越多的关注，特别是在异构多芯片封装中。

自Dennard标度结束以来，功率一直是人们日益关注的问题，Dennard标度发生在90nm节点附近。每平方毫米有更多的晶体管，而且导线更细，这增加了电阻和电容并产生热量。除此之外，需要处理和移动的数据量继续增长，因此各种处理元素、内存和I/ o的利用率比过去更高。这使得移动数据、在需要的地方提供足够的电力以及散热变得更加困难。

Photonics提供了一个潜在的解决方案。事实上，它可以提供一个阶梯功能的改进，为新的应用打开了大门，而这些应用目前受到固定功率预算和铜互连的限制。

该公司产品管理总监詹姆斯•庞德(James Pond)表示:“使用铜的通讯成本已开始变得令人望而却步。有限元分析软件．“电气互连的挑战在于，当你的性能提高，或者触手可及的范围扩大，你的电力成本就会上升。在未来的几年内，电力行业将会达到一个临界点，即电力互连将会完全消耗你的电力预算。”

直到最近，这种做法还被成本所禁止。“当光子学的成本低于铜的成本时，这就变得非常有趣了，”吉勒斯·拉曼特(Gilles Lamant)说节奏．

我们接近那个点了吗?要回答这个问题，有必要看看这个行业的其他发展。

标线限定了光刻机可蚀刻的最大尺寸。对于193nm浸没式步进器(目前用于生产大量芯片)来说，其极限是33 x 26——略高于800mm²。与此同时，摩尔定律在许多公司或设计类型的成本效益方面正在放缓。这意味着可以在一块硅上经济地制造的晶体管数量已经达到极限。

摩尔定律的下一个阶段要求设备开始成为多个模具的组件，业界一直在投资这项技术。今天，在大多数高端cpu、gpu、fpga和AI处理器中都可以找到它的专有版本。随着行业的采用增加，问题正在得到解决，成本正在下降，这将带来更大的潜在市场。

多个芯片的异质集成指向了芯片的概念。这些是预先设计和制造的功能片段，可以以与今天在PCB上组装芯片相同的方式组装在一个包中。在这一理念被广泛采纳之前，游戏行业还需要克服一些挑战。其中一些是技术上的，另一些是财务上的或法律上的，还有一些是与标准的创建有关的，这些标准可以确保这些标准化产品有足够大的市场。

芯片技术也将有助于电子以外的其他事物的异质集成(见图1)。我们已经看到视频传感器设备是光学层和电子层的结合，使用晶片键合在一起。产量巨大，自2016年以来，该技术得到了很好的验证。

图1:异构集成的新兴应用程序。来源:有限元分析软件

集成芯片的一种技术是利用插入器。这相当于这种封装系统中的PCB。插入器充当各个芯片之间的互连器。这种方法已成功地应用于高带宽存储器(HBM)。插入器的问题是，它是一个单独的“芯片”，必须被制造，这增加了总成本。其他公司正在考虑将芯片直接堆叠到主芯片上，或者使用小片插入器在不同的芯片之间搭建桥梁。

我们看到光电子市场开始使用异质集成，它可以重新设想许多方面的方式，芯片和系统通信。

增长的市场
由于缺乏批量产品，光子元件的成本一直很高。“使用集成光子学的低成本、高速收发器的前景——尤其是硅光子学——已经实现了，”Ansys的Pond说。他说:“我们已经看到数以百万计的设备出货，它们被用于数据中心。预计至少到2025年，这一数字将继续以每年40%以上的速度增长(见图2)。它需要解决我们所面临的数据带宽问题。光学互连和共封装光学是实现这一目标的唯一途径。”

图2所示。收发机市场成长。来源:Ansys。

新市场会有不同的需求。电动汽车集团业务发展副主管Martin Eibelhuber说:“电信应用一直是由半宽半宽(FWHM)方法驱动的，所以它们可以有很多不同的波长，彼此非常接近。”“这通常导致他们将不同波长的边发射激光器紧密地集成在一起。新的应用，特别是基于光子集成的激光雷达，正变得越来越受欢迎，在不久的将来，这将是一个更大的市场。”

激光雷达有不同的要求。Eibelhuber说:“对于激光雷达来说，不同的波长并不是那么重要，但光束形状更重要。”“当你使用光学相控阵时，人们的目标更多的是转向和输出功率。你想要调节外面的波。它们在大小和如何建造方面也有不同的限制。例如，与装在汽车里的东西相比，数据通讯对物理尺寸或重量不那么敏感。汽车激光雷达也将是一个关键任务系统。”

步骤功能的最大部分来自对系统级问题的重新思考，而不仅仅是技术的替代。Cadence的拉曼特说:“在两个SerDes之间的高性能计算中，你有重定时。”“由于铜线上有变化，设备需要有能力自适应各种条件。这已经包含在大多数高性能SerDes和所有高性能通信标准中。虽然他们没有特别要求，但对信号质量的要求使得没有这些设备绝对不可能工作。”

Lamant补充道:“有了光子学解决方案，你可以完全摆脱电路的这一部分。”“这很好地说明了集成光子学将赢得什么。我们说的不是10%的小涨幅。我们说的是40%的收益。retimer是一个模拟电路，是一个非常复杂的电路。在光子学中，你没有阻抗匹配的问题和损耗在光纤中。这是集成光子学可以实现的改变，它们是阶跃函数。”

让光
在硅上制造激光器是不太可能的，因为物理对它没有好处。“你必须决定光源应该在芯片上还是芯片外，”拉曼特说。为了有光子学，你需要有光，然后你需要用它做些什么。一些公司正在建造和发展，或焊接，晶圆键合，在硅衬底上的激光。把它建在硅衬底上是一件极具挑战性的事情，因为它完全在一个晶圆内。其他公司则是用晶片连接在他们的大硅片上。”

即使在芯片上也有不同的方法。EV Group的Eibelhuber说:“你可以考虑不同部件的异质集成方案。”“如果我们考虑集成激光芯片，在硅上合成半导体，诸如此类的事情，这基本上已经在今天发生了。”

大小不匹配
光子学与电子学分离的另一个原因是每个部件的几何形状不匹配。庞德说:“硅光子器件总是很大的，而且通常可以在不需要同样先进节点技术的铸造厂制造，这只是因为器件的尺寸。”“光子器件的尺寸受到物理的限制，所以你不能像人们使用电子集成电路那样一直缩小它们。有相当多的控制电子是需要的硅光子学，以保持一切正常运行，以维持加热器和反馈回路，以保持一切运转。但当涉及到先进节点时，这只是两种不同的技术，可能把它们分开是有意义的。”

但是，您可以在较老的节点上构建大量有用的电子设备。拉曼特说:“现在至少有一家铸造厂提供集成的单片解决方案。“晶体管是最后一代平面晶体管，这是因为所有的兼容性要求，你需要photonics的尺寸。有挑战。你需要一个平衡，因为它们不能比45nm小很多，因为这会给光子学带来太多挑战。”

的机会
在微晶片技术中，插入器可用作微晶片安装的基板。这也是在一个更大的几何比用于密集的电子功能。“芯片和3D集成电路模型真的很好，你可以有一个集成的光子干涉器，你可以在上面建立3D集成电路，”Pond说。“这可以作为芯片之间以及与外部世界之间的通信层。此外，当你开始考虑移动到每个3D IC，有一个集成的光子干涉层用于通信，你谈论的体积是数量级以上的数据中心收发器。对于集成光子学来说，这是一个重要的阶段，它将从一个可以与电子产品相比的小众市场，转变为一个更实质性的市场。”

虽然微晶片可能使光子学成为可能，但光子学也可能影响微晶片。拉曼特说:“如今，业界考虑在芯片之间建立电子连接。“这使得两个芯片之间有一个垂直连接。但是为什么不用光学来代替电子信号呢?他们称之为光学碰撞。这里的挑战是对齐，但这是一般芯片的挑战。”

现在，这需要系统中昂贵的部分——插入器——并使用它在异构部分之间的通信中创建一个步骤更改。Pond说:“光子层应该是插入器，提供芯片之间和与外界的通信层。”

集成问题
所有3D IC系统的一个问题是热量，而光子学为这个问题增加了一个额外的维度。Eibelhuber说:“整个系统在关键环境中的表现非常重要，热管理是其中的关键部分。”“他们需要积极的温度控制措施。在3D封装领域，温度管理是整个系统的普遍问题，包括电子设备。”

Lamant表示同意。“分析热量的基本引擎是已知的。这不仅仅是光子学，同样的复杂性也出现在芯片上。微晶片非常棒，但一旦你开始把它们放在2.5D或3D IC上，它们就非常接近了，你必须跨越它们的边界进行分析。这并不局限于光子学。”

不过，光子学确实有一些独特的问题。“电子学产生大量的热量，它们将改变集成光子干涉器的温度，”Pond说。“有些光子器件对温度变化非常敏感。建模的挑战是能够了解整个3D IC的温度发生了什么变化，从仿真的角度，能够计算不同配置下的工作温度。每个光子元件的局部温度是多少?然后我们可以研究这对光子电路性能的影响。”

一个典型的芯片可以根据操作环境或工作负载经历很宽的温度范围。Pond补充说:“在光子解调器中，即使是很小的程度变化也会对性能产生很大的影响。”“它可以把它完全逐出操作点。一度的变化可能会破坏设备的性能。你可能会问，这怎么可能起作用呢?这是热加热器和控制回路的作用，它们维持设备的正确操作点。重要的不是绝对温度，而是干涉仪不同臂间的温差。只要你有控制电子设备和加热器保持设备在正确的操作点，然后你可以处理更大的全球温度范围。挑战在于，如果你不得不过度补偿，你可能会开始燃烧大量的能量，只是为了让所有东西在正确的温度下运行。”

标准
最大的挑战不是技术上的，而是与行业合作和标准有关。Eibelhuber说:“在这个行业中有一个重要的标准驱动。”“他们希望进行合作，并制定标准，使他们能够以合理的成本获得类似的流程，而不必自行开发一切。有一些合作封装解决方案的方式，试图保持尽可能多的晶圆片水平。在芯片层面上有很好的解决方案，你基本上可以取两者的精华。然而，并不是电子行业的所有技术都可以复制到光子学行业，这是我们必须缩小的差距。”

在模具之间可靠的数据传输需要的不仅仅是PHY。“我们必须实施更高级别的标准，而不是非常低级的接口标准，”安迪·海宁(Andy Heinig)说弗劳恩霍夫学院自适应系统工程分部．“这种更高级别的协议很可能是面向应用的。它们将不同于用于光学前端的模拟-数字应用，或用于人工智能应用的数据中心的数字加速器。”

标准支持创新。Pond说:“可插拔技术如此成功的原因在于标准。”“他们有一个标准化的形式因素和沟通标准。这意味着很多创新公司可以开始设计集成光子学收发器之类的东西，并提高性能和速度。然后，建造数据中心的人可以购买可插拔的收发器，只要它们符合标准，就可以从不同的供应商那里合并它们。现在的挑战是，当谈到将光学引入芯片或联合封装系统时，关于如何连接这些光纤以及确切的通信标准将是什么，并没有真正的标准。一旦实现这一目标，我们将看到类似的创新浪潮。”

这与电子产品需要的标准没有区别，在电子产品中，必须就使用何种通信标准达成某种共识。

结论
对微晶片的需求导致该行业解决了某些问题。它们也是集成光学系统的问题，但这个市场太小，无法改变现状。随着我们接近3D集成电路的解决方案，集成光学的一些障碍已经被消除。

但这只是故事的第一部分。随着这些问题的解决，光学可以改变我们对封装内通信的思考方式，并从电气互连插入器转移到光学插入器。以前被视为昂贵的开销现在变成了一种更快、更低功耗的解决方案，这在以前是不可能的。当这两种技术结合在一起时，新的系统级解决方案就成为可能。电力将大幅下降，最终产品总成本可能会下降。

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