硅光，大势所趋

公众号记得加星标⭐️，第一时间看推送不会错过。

光纤传输信号的速度和效率都优于铜线，因此成为全球电信网络的首选材料。在较短距离的传输中——例如机架之间或数据中心的电路板之间——设计人员希望缩小光器件的体积，以充分发挥光纤的节能优势。

人工智能工作负载与其他高性能计算工作负载的不同之处在于其所需的数据传输量。LLM 查询在终端用户和数据中心之间传输的信息量可能与传统搜索查询相同（“南北向流量”），但它需要在数据中心内部进行更多的数据传输（“东西向流量”）。GPU 集群以及单个 GPU 都会对非常大的数据数组执行相对简单的乘法和加法运算。但所需的带宽限制了整体性能，并且是功耗的主要来源。

去年被 AMD 收购的硅光子学初创公司 Enosemi 在一份白皮书中估计，领先的高性能 ASIC 芯片将高达一半的总功耗用于数据传输。

GlobalFoundries首席商务官Mike Hogan指出，有四个关键指标决定互连效率：

• 有效距离，即信号无需放大即可传播的距离；

• 带宽密度，以每面积比特数衡量；

• 能量效率，以每单位能量的比特数来衡量，

• 计算效率，即计算资源的总体利用率。

在短距离传输中，光器件相对较大的尺寸限制了带宽密度。为了充分发挥光子互连的节能优势，光器件及其连接的电子电路都需要缩小尺寸。

为此，设计人员正在考虑三种可能的解决方案。第一种是可插拔组件，这种组件尺寸相对较大，模块化设计，易于集成。但由于其尺寸较大，需要较长的连接线才能连接到控制电子元件。可插拔组件最适合用于电路板之间、机架之间或数据中心内部的连接。

其次是共封装光学器件（CPO），顾名思义，它将分立的光学元件与电子控制电路集成在一起，通常通过引线键合连接。第三种是光输入/输出（OIO）模块，它将光学和电子集成电路集成到一个单元中，使其能够像单个器件一样高效运行。

光子互连的基本组成单元无论尺寸大小都很简单。首先，它们需要一个光源。在数据中心级别的距离上，这通常是磷化铟二极管激光器。激光器本身的特性决定了它们必须比无源光学元件承受更高的电流和温度，因此它们很可能是光子电路中最不可靠的元件。对于集成模块而言，在封装前识别出已知性能良好的激光器至关重要。但可插拔元件的一大优势在于能够轻松更换故障激光器。

调制器将激光器的连续发射信号分解成数据比特流。调制器还决定了数据传输速率。根据imec公司的Joris Van Campenhout在12月IEEE电子器件会议上发表的研究成果，目前，铌酸锂（LiNbO₃）等材料可以实现超过100 GHz的带宽，并具有高效率和低损耗。然而，它们体积较大且存在锂污染的风险，因此不适合与硅直接集成。

新加坡的研究人员利用微转移印刷技术将图案化的铌酸锂调制器转移到硅衬底上。[3] 微转移印刷技术使用PDMS印章将单个器件从生长晶圆上拾取并放置到目标衬底上，从而避免了直接在硅上生长所带来的污染风险。然而，CPO和OIO应用通常还是会选择硅谐振器。硅谐振器利用加热器来调节掺杂硅环的折射率。

NLM Photonics 首席执行官 Brad Booth 指出，硅并非一种高效的调制器。目前，人们仍在寻找替代方案。NLM 的解决方案是将一种发色团嵌入到小分子有机玻璃中。通过加工工艺，可以排列发色团的偶极子，并通过相邻的硅组件进行切换。

调制器完成调制后，信号通过波导传播至光电探测器。在目标波长范围内，硅是一种优异的低损耗波导材料。集成模块（包括CPO和OIO）均采用硅或有机中介层，其中可能包含光子元件。锗是理想的光电探测器材料。

最后，电路需要某种形式的耦合，将光从激光器传输到波导，再从波导传输到光电探测器。耦合器负责在折射率不同的材料之间传输光，值得注意的是，耦合损耗可能占整个系统损耗的很大一部分。根据具体情况，耦合器可以简单地将光纤靠近光源，使用聚合物来跨越间隙，或者采用其他多种替代方案。无论采用何种设计，耦合都不应引入光学缺陷，并且应提供折射率的渐变过渡。汉阳大学的 Keuntae Baek 及其同事撰写的一篇综述详细讨论了耦合问题。

虽然这些基本单元构成了一条端到端的光路，但它们本身并不“智能”。光路仍然需要控制电子设备来操作调制器、处理来自光电探测器的信号等等。设计人员可以通过缩短控制电子设备与光学元件之间的距离来提高性能并降低功耗。

电光集成

缩短互连距离是异构集成的总体目标。集成光学器件遇到的许多问题也适用于其他类型的先进封装。异构封装中的各个组件通常采用成熟的技术。真正的挑战在于如何以经济高效的方式将它们连接起来。

将电子元件和光学元件结合起来也带来了一些新的问题。例如，CEA-Leti 的研究人员将波导和其他硅光子元件嵌入到硅中介层中。这种中介层需要一条通往其表面激光器和光电探测器的光路。它还需要硅通孔来连接调制器，并且可能还需要连接到封装底部。

但这些元件产生的机械应力会导致光学畸变，进而造成光损耗，因此，中介层和组合封装的设计工具必须能够模拟热应力和机械应力带来的光学和电学效应。“我们必须制定自己的设计规则来混合使用光学和电子元件，”研发项目负责人Jean Charbonnier指出。

对于调制器而言，加热器控制谐振频率。该研究小组通过对加热器进行热隔离，节省了大量能源。

此外，还会出现其他问题。虽然光电探测器所需的锗可以直接在硅上生长，但它们所需的厚锗层与先进晶体管中使用的薄硅锗纳米片无法相提并论。在这种应用中，外延锗沉积可能占到整个电路成本的 40%。

在研究应用中，磷化铟激光器通常单独生长，然后通过微转移印刷技术转移到中介层上。一次处理少量激光器可提供最大的灵活性，并有助于确保只转移已知性能良好的激光器。对于商业规模的集成，NTT 的 S. Matsuo 及其同事展示了将 InP 晶圆键合到硅晶圆上，然后原位生长 InGaAsP 激光器。

电路的电子部分可以在传统的CMOS晶圆厂制造，并通过铜混合键合技术连接到中介层。同样，这里也需要考虑光学元件所受到的热应力和机械应力。

尽管要开发出能够随着硅电路扩展而扩展的全集成光子互连技术仍有许多工作要做，但对于最终目标却鲜有争议。“计算设备供应商、网络领导者和硅芯片供应商之间有着高度共识，”霍根表示，“扩展东西向流量需要光互连。”

若您对硅光SiGe技术及流片相关话题有更多探讨需求，欢迎添加微信深入交流。

https://semiengineering.com/silicon-photonics-lights-the-way-to-more-efficient-data-centers/

（来源：semiengineering）

*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。

今天是《半导体行业观察》为您分享的第4380内容，欢迎关注。

加星标⭐️第一时间看推送

求推荐