硅光芯片，終于到了拐點(diǎn)？

在過去的幾十年里，硅無疑是半導(dǎo)體行業(yè)轉(zhuǎn)型的皇冠上的明珠。但隨著摩爾定律的停滯、電路復(fù)雜性的增加以及數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用的爆炸式增長，公司需要更創(chuàng)新的方法來更快地計(jì)算、存儲(chǔ)和移動(dòng)數(shù)據(jù)。因此，規(guī)模、速度和能力已成為處理高級(jí)智能和計(jì)算需求的潛在力量。

與傳統(tǒng)電子集成電路相比，硅光子學(xué)已經(jīng)憑借其令人印象深刻的性能、能效和可靠性贏得了據(jù)點(diǎn)。總體速度要求已經(jīng)變得足夠快，有利于技術(shù)的優(yōu)勢在不斷縮短的距離內(nèi)有效地傳輸數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，人工智能 (AI) 正在將計(jì)算推向電子元件需要遠(yuǎn)距離通信以組合和集成多個(gè) XPU（專用處理單元）的地步。

硅光子學(xué)的研究和商業(yè)化也出現(xiàn)了同步增長，數(shù)據(jù)通信、電信、光學(xué)計(jì)算和 LiDAR 等高性能傳感應(yīng)用等市場也見證了它的優(yōu)勢。根據(jù) LightCounting 的研究，基于硅光子學(xué)的產(chǎn)品市場預(yù)計(jì)將從 2018-2019 年的 14% 增長到 2025 年的 45%，這表明該技術(shù)的采用出現(xiàn)了拐點(diǎn)。

隨著越來越多的公司合作和投資硅光子學(xué)以解決當(dāng)前的電氣 I/O 和帶寬瓶頸，以及現(xiàn)有分立元件在提供指數(shù)級(jí)增長和性能方面面臨的挑戰(zhàn)，這不足為奇。

這種市場轉(zhuǎn)變和愿望并非一蹴而就。

我們是如何走到這一步的：從真空管到互連

從 20 年代到 50 年代，所有電子元件都是獨(dú)立的元件——主要是真空管，它們控制施加電壓的電極之間的電流流動(dòng)。不久之后，第一個(gè)晶體管被發(fā)明出來，這標(biāo)志著電子工業(yè)取得非凡進(jìn)步的開始。隨后，隨著集成電路的誕生，該行業(yè)進(jìn)一步擴(kuò)大——一個(gè)芯片嵌入了數(shù)百萬或數(shù)十億個(gè)晶體管。微處理器的發(fā)展很快跟進(jìn)，從袖珍計(jì)算器到家用電器，一切都從中受益。

經(jīng)典微處理器在整個(gè) 1990 年代速度不斷提高，但自 2003 年左右以來，主流處理器已達(dá)到 3 GHz 時(shí)鐘壁壘。盡管晶體管的數(shù)量在增加，但不僅處理器過熱，而且更小的晶體管也不再高效。這意味著通過銅線將數(shù)據(jù)從一個(gè)計(jì)算芯片傳輸?shù)絻?nèi)存或另一個(gè)計(jì)算芯片不再可持續(xù)，無論距離多短，并且這增加了不同程度的困難。

隧道盡頭的光變成了硅光子學(xué)。

該行業(yè)開始看到利用光能并將半導(dǎo)體激光器與集成電路相結(jié)合的前景。電子學(xué)的悠久歷史和發(fā)展啟發(fā)了研究人員和工程師尋找在芯片上集成功能的新方法，并使用明確定義波長的光束比電互連更快。

今天，類似的物理軌跡正在以每通道 100 Gbit/s 的速度進(jìn)行芯片的電氣互連（4 級(jí) 50 Gbit/s），其中必須添加大量均衡功率才能將信號(hào)推送到銅線上。事實(shí)上，在每通道 200 Gbit/s（100 Gbit/s 的四個(gè)級(jí)別）下，這個(gè)問題會(huì)變得更糟。

另一方面，光子互連不會(huì)遇到同樣的問題，因?yàn)楣饫w可以輕松傳輸數(shù) TB 的數(shù)據(jù)。簡而言之，與電子方法相比，利用光子學(xué)來傳輸信息可以顯著提高速度和能源效率。

力量與速度的競賽

每一點(diǎn)加速都是以更多的功耗為代價(jià)的。隨著電路及其設(shè)計(jì)的復(fù)雜性增加——無論是高通道數(shù)、密集傳感還是太比特互連——團(tuán)隊(duì)將不可避免地需要擺脫分立的方法。我們已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)看到這種轉(zhuǎn)變，公司從分立元件轉(zhuǎn)向硅光子學(xué)，并最終轉(zhuǎn)向具有片上單片集成激光器以增加光學(xué)增益的平臺(tái)。

在互連領(lǐng)域，仍然非常重視每個(gè)引腳的數(shù)據(jù)速率。今天，100 Gbit/s 互連分四個(gè)級(jí)別完成，速度為 50 Gbit/s，以獲得兩倍于 50 Gbit/s 數(shù)據(jù)鏈路的數(shù)據(jù)量。但是 200 Gbit/s 互連最終會(huì)推動(dòng)更多功率通過它，以便通過電氣互連獲得該信號(hào)。最終，消耗的電量最終成為一個(gè)問題，尤其是當(dāng)被推到更遠(yuǎn)的距離時(shí)。因此，團(tuán)隊(duì)無法通過這些電氣互連來容納更多數(shù)據(jù)。

光纖不是這種情況。將光纖想象成一條開放的千車道高速公路。計(jì)算盒可以設(shè)計(jì)成與數(shù)據(jù)中心一樣大，而無需犧牲更小的帶寬進(jìn)行互連。但是，當(dāng)使用分立組件時(shí)，處理器的尺寸會(huì)受到其互連的限制。

今天，一些公司正在采用 12 英寸的晶圓，并用它制造一個(gè)單一的、巨大的芯片，互連設(shè)計(jì)用于保持所有內(nèi)核高速運(yùn)行，因此晶體管可以作為一個(gè)整體協(xié)同工作。然而，隨著現(xiàn)代計(jì)算架構(gòu)越來越接近其理論性能極限，這些帶寬需求的復(fù)雜性和規(guī)模也在增加，從而使激光集成的成本更高。使用標(biāo)準(zhǔn)的硅光子學(xué)，需要單獨(dú)連接一個(gè)激光器，這不能很好地?cái)U(kuò)展到多個(gè)通道。

集成激光器：與下一代設(shè)計(jì)相匹配

長期以來，激光集成一直是硅光子學(xué)領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。主要關(guān)注領(lǐng)域指向設(shè)計(jì)層面涉及的物理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，以及與芯片分立激光器的制造、組裝、添加和對準(zhǔn)相關(guān)的不斷上升的成本。當(dāng)處理激光通道數(shù)量和總帶寬的增加時(shí)，這將成為更大的考驗(yàn)。

迄今為止，硅光子學(xué)已經(jīng)在芯片上嵌入了多個(gè)光子元件，但直到現(xiàn)在還缺少一個(gè)關(guān)鍵元素是集成增益。片上增益脫離了標(biāo)準(zhǔn)的硅光子學(xué)，實(shí)現(xiàn)了新的集成水平，并增強(qiáng)了整體計(jì)算和處理能力。這有助于提供芯片之間和內(nèi)部的高速數(shù)據(jù)傳輸，其數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)高于分立設(shè)備所能達(dá)到的數(shù)量級(jí)。該技術(shù)以更低的功率驅(qū)動(dòng)更高性能或降低設(shè)計(jì)成本和制造工藝的先進(jìn)能力有助于推動(dòng)它們的采用。

以激光雷達(dá)等超靈敏傳感應(yīng)用為例。對于相干 LiDAR，來自發(fā)射器的光需要與接收器混合以返回信息，這就是它以較低功率獲得更好距離信息的原因。通過在單個(gè)芯片上集成激光器，這個(gè)過程變得更加容易，因?yàn)槟梢苑蛛x光并將其放在電路的不同部分。如果您要對分立元件執(zhí)行此操作，則需要大量封裝。雖然其優(yōu)勢的程度取決于電路的復(fù)雜性，但這是相干調(diào)頻連續(xù)波 (FMCW) LiDAR 等方法真正受益于集成方法的核心原因。共同封裝的光學(xué)器件和片上系統(tǒng) (SoC) 接口。（由 OpenLight 提供）

硅光子學(xué)會(huì)取代電互連嗎？

將用于半導(dǎo)體激光器的磷化銦等材料直接加工到硅光子晶圓制造工藝上可降低成本并提高功率效率和片上增益，還可以簡化封裝。使用單片集成激光器，良率仍然很高，而使用分立元件擴(kuò)展設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致不可接受的良率。在這一點(diǎn)上，即使是一個(gè)電路中的幾十個(gè)元件也是革命性的。

然而，就像采用任何新技術(shù)一樣，生態(tài)系統(tǒng)正在經(jīng)歷一個(gè)學(xué)習(xí)曲線。大多數(shù)制造單位仍然習(xí)慣于將磷化銦和砷化鎵（用于制造激光器）等材料與硅鍵合。由于它們不同的物理和熱特性，一些進(jìn)入障礙與需要克服的離散方法有關(guān)。簡而言之，幾十年來一直致力于 8 英寸或 10 英寸晶圓和不同材料純度的晶圓廠現(xiàn)在需要學(xué)習(xí)如何使用更新的材料和不同的設(shè)計(jì)空間，使工藝獨(dú)一無二。

具有集成增益的硅光子學(xué)

隨著硅光子技術(shù)的發(fā)展步伐，公司和代工廠將不可避免地?cái)U(kuò)大合作和研發(fā)投資，為組件和集成解決方案提供堅(jiān)實(shí)的光子生態(tài)系統(tǒng)。隨著收發(fā)器擴(kuò)展到 8 或 16 通道，硅光子學(xué)將成為唯一能夠以更低的功耗和合理的成本提供所需性能的技術(shù)。

有些人可能會(huì)爭辯說，由于每個(gè)應(yīng)用程序的復(fù)雜性各不相同，而且底層電路處于核心地位，因此在完全自主或高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 等領(lǐng)域的潛力方面可能仍然存在一些未知數(shù)，但在沒有它的好處是不可見的。

在某個(gè)時(shí)候，硅光子學(xué)將足夠成熟，某些關(guān)鍵指標(biāo)（包括帶寬、成本和每比特能量）將足以取代電子產(chǎn)品。展望未來，轉(zhuǎn)向光學(xué)的主要價(jià)值將是它的影響范圍。

審核編輯 ：李倩