c114訊 5月24日消息（焦焦）昨日，由CIOE和C114聯(lián)合舉辦的“AI時(shí)代：數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)技術(shù)新趨勢(shì)”線上論壇如期舉行，聯(lián)合微電子中心翟文豪在論壇上發(fā)表了“硅光共封裝中異構(gòu)集成技術(shù)”為主題的演講，為大家分享了在人工智能時(shí)代CPO技術(shù)的發(fā)展與挑戰(zhàn)。
當(dāng)前新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速演進(jìn)，人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等數(shù)字科技迅猛發(fā)展，特別是以切了GPT為代表的生成是大模型出現(xiàn)，推動(dòng)了數(shù)字科技進(jìn)入人工智能時(shí)代。翟文豪認(rèn)為，隨著摩爾定律受限，大帶寬低功耗的要求逐漸迫切， CPO技術(shù)的重要性也日益凸顯。
CPO技術(shù)是解決摩爾定律發(fā)展瓶頸的“一劑良藥”
翟文豪表示，CPO技術(shù)越來越受大家青睞，主要是因?yàn)榇竽Ｐ蛻?yīng)用對(duì)大帶寬低功耗的數(shù)據(jù)傳輸和互聯(lián)技術(shù)提出了迫切需求，而CPO技術(shù)通過將光芯片和電芯片共封裝縮短了兩者之間的間距，相較與傳統(tǒng)的FPP技術(shù)可降低30%的功耗。
隨著交換芯片的技術(shù)演進(jìn)，與之匹配的用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓饽K速率也在隨之攀升，目的就是為了更好的處理數(shù)據(jù)。而光模塊速率的增加有兩種途徑：一是提高通道數(shù)，這意味著更高的集成度。二是提高單通道速率，則需要更低的通道損耗。
因此不難看出，CPO技術(shù)是以上需求很好的解決方案。現(xiàn)如今摩爾定律發(fā)展遇到瓶頸，而CPO技術(shù)的出現(xiàn)有望延續(xù)計(jì)算機(jī)性能。CPO’s roadmap三維垂直堆疊的CPO技術(shù)可提供更大的帶寬和更高效的光電系統(tǒng)。
硅光CPO所面臨四大挑戰(zhàn)
翟文豪表示，CPO技術(shù)是很好的解決方案毋容置疑，但硅光CPO技術(shù)目前仍面臨四大挑戰(zhàn)。
第一大挑戰(zhàn)是三維堆疊CPO技術(shù)需要用到硅光加TSV技術(shù)。因?yàn)榛趙ire-bonidng的光電系統(tǒng)，IO口數(shù)量有限，同時(shí)引線會(huì)帶來寄生效應(yīng)且集成度受限，而采用TSV技術(shù)的光電三維堆疊系統(tǒng)，距離更短，具有更好的信號(hào)完整性和更高的集成密度，因此被用于CPO技術(shù)中。
硅光TSV工藝常見的主要有TSV middle和TSV Last兩種工藝，翟文豪介紹到，TSV middle工藝是指，在接硅光前道工藝完成后，加工TSV可提供更高的密度和更好的熱管理；而TSV Last工藝則是在全部硅光工藝完成后再加工，提供了更好的自由度，工藝簡(jiǎn)單但集成度受限。因此硅光From更傾向于采用TSV middle工藝，更進(jìn)一步的在硅光TSV轉(zhuǎn)接板中將IPD工藝并集成構(gòu)造更為完善、緊湊的互聯(lián)形態(tài)。
第二大挑戰(zhàn)是針對(duì)單波200G的新型調(diào)制技術(shù)。硅光中常用的調(diào)制技術(shù)有MZM調(diào)制、微環(huán)調(diào)制以及異質(zhì)集成磷酸鋰等材料�；诠韫夥侄问降腗ZM調(diào)制器，采用三段式MZM實(shí)現(xiàn)3db帶寬67GHz、2.8Vpp實(shí)現(xiàn)了120Gbaud的強(qiáng)度調(diào)制。微環(huán)調(diào)制方面，港中文大學(xué)基于微環(huán)調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了130 GBaud PAM-4調(diào)制，僅1.8Vpp。英特爾于2022年OFC上報(bào)道了224-Gb/s PAM-4微環(huán)調(diào)制器也為1.8Vpp。此外，異質(zhì)集成薄膜鈮酸鋰、BTO、IIIV等也是潛在的解決方案。借助材料優(yōu)異的光電效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)單波200G的光傳輸。
翟文豪認(rèn)為，上述方案中，純硅基MZM實(shí)現(xiàn)單波200G傳輸，可能面臨功耗偏大等問題，而微環(huán)調(diào)制器或異質(zhì)集成薄膜鈮酸鋰等方案是更好的解決途徑。
第三大挑戰(zhàn)是激光器集成。采用外部光源需要配合保屏光纖，但這樣會(huì)增加使用成本，因此激光器集成就顯得尤為重要，同時(shí)也是一個(gè)挑戰(zhàn)。常用的激光器集成方案有以下4種：
第一種是Flip-Chip集成，將激光器芯片直接Flip-Chip集成到硅光芯片上是目前較為成熟的一種方案。第二種是采用Microtransfer Printing方法，該方案降低了耦合對(duì)準(zhǔn)的要求。第三種是wafer bonding方案，該方案無需對(duì)準(zhǔn)，可采用晶圓級(jí)工藝，適合大批量生產(chǎn)。第四種是直接采用外延生長(zhǎng)方式單片集成，但面臨III-V與硅晶格失配等問題，目前仍處于研究階段。此外，基于氮化硅微環(huán)實(shí)現(xiàn)的光頻輸光源可配合波分復(fù)用和直驅(qū)微環(huán)調(diào)制器將有望替代電學(xué)SerDes，可進(jìn)一步降低功耗。
第四大挑戰(zhàn)是光學(xué)耦合方案。光纖和光波導(dǎo)之間有較大的模場(chǎng)適配，如何在大批量生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)低損耗的光耦合顯得尤為重要。常用的耦合方案可分為：有源耦合、半無源耦合和無源耦合。有源耦合可實(shí)現(xiàn)更高的對(duì)準(zhǔn)精度，但耗時(shí)較多；半無源耦合借助圖像識(shí)別系統(tǒng)可進(jìn)一步縮短時(shí)間和降低成本；而無源耦合采用微型槽方式自對(duì)準(zhǔn)，成本更低，適合于大批量生產(chǎn)，但需要承受由于對(duì)準(zhǔn)偏差可能帶來的額外損耗。
CUMEC's PDK致力于構(gòu)建產(chǎn)硅光產(chǎn)學(xué)研合作生態(tài)
翟文豪介紹到，CUMEC's PDK于2020年和2021年發(fā)布了4套PDK，包括：硅光180nm成套硅光工藝PDK、130nm成套硅光工藝PDK和三維集成工藝PDK，公司于去年發(fā)布了硅加氮化硅集成PDK。截止2022年公司客戶達(dá)到120家，包含研究所、高校和企業(yè)等。
CUMEC's PDK致力于構(gòu)建產(chǎn)硅光產(chǎn)學(xué)研合作生態(tài)，CUMEC's PDK的產(chǎn)品包括：硅光、PDK、光柵耦合器等無源器件，以及調(diào)制器、探測(cè)器等有源器件。
目前，CUMEC's PDK的光柵損耗可達(dá)3~4dB，條形波導(dǎo)損耗1.5DB/厘米，熱光影像器派像儀功耗小于20毫瓦，調(diào)制器帶寬大于30GHz，探測(cè)器帶寬大于50GHz，端滅火器損耗2~3dB，SOI波導(dǎo)中FE波導(dǎo)的損耗可做到1.22dB/厘米，ME波導(dǎo)0.85dB/厘米，SE波導(dǎo)0.32dB/厘米。同時(shí)氮化硅可提供LP和PE氮化硅兩種。
翟文豪分享到，硅加氮化硅平臺(tái)由于氮化硅波導(dǎo)的引入，可以承受更大的輸入功率，同時(shí)氮化硅波導(dǎo)對(duì)寬度和厚度有更大的容忍度，可以降低相位誤差。由于氮化硅波導(dǎo)的熱光系數(shù)較低，更適用于波道和波分復(fù)用系統(tǒng)。同時(shí)氮化硅波導(dǎo)可以實(shí)現(xiàn)更好的端面吻合。
此外，翟文豪還具體分享了CUMEC's PDK的光柵耦合器、硅調(diào)制器、PIN熱像儀、光探測(cè)器等產(chǎn)品的性能，充分展示出了CUMEC's PDK產(chǎn)品的業(yè)界先進(jìn)水平。
最后，翟文豪表示，CUMEC's PDK作為硅光工藝和三維集成工藝的開放工藝平臺(tái)，正在研發(fā)硅光加TSV集成工藝，期待與業(yè)界同仁共同探討交流，深入合作。
