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摩尔隧道尽头有光吗?

第二个部分:各个硅光子件都在那里,但让他们一起工作不是大多数工程团队想要尝试的东西。

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上个月的文章,“摩尔隧道尽头有光线“在将光子学组分集成到硅的方面审查了行业的状态。它集中在这件上是最难实现的 - 激光器。然而,由于实现集成目标变得更接近现实,它也在相信这是最终解决方案的人数方面存在。相反,它们对此光学组件的2.5D或3D集成来表示他们的注意力。这是电源/热量和尺寸问题的主要推理。

已经将激光器与光子系统的电源进行了比较,并且单个激光器可以在芯片内馈送许多光路,并且可以穿过多个芯片。在本文中,将检查光学系统的其他组件,并进一步涉及将光子学集成到最新一代硅制造中。

除了激光之外,光子电路还需要许多其他组件类型,即:调制器和解调器,多路复用器和多路分解器和波导。

调制器/接收器
电子器件长期以来必须在模拟和数字之间转换,并为此转换为-TO-D和D-to-A转换器。电子和光子之间的转换使用调制器和用于反向的解调器。最常见的类型是用于无线电通信的幅度调制的类似过程,其中信号用于修改载波信号的幅度。在这种情况下,载体是来自激光器的光束。在一些最早的调制器中,数字信号将打开或关闭光束,但这具有显着的带宽限制。今天,部署了更复杂的调制器,例如Mach-Zehnder干涉仪(MZI)。

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来源:Dama et。Al。,Lightwire演示:使用CMOS光子学使用CMOS光子测量的高速NRZ和PAM光学调制。

它通过将激光束分成两条路径来工作。在两个臂之间引入相位差,并且在重组时它们之间的干扰是建设性的或破坏性的。相变是由材料折射率的变化引起的。

另一种类型的调制器,电吸收(EA)调制器,改变使用施加的电场吸收的光量。

多路复用器/多路分解器
虽然光子以光速移动,但电子没有,这提供了两个系统之间的性能差距。如果光学器件只能以单个调制器/解调器可以运行的相同速率发送信息,则虽然由于仍然存在由于较高的功耗和SERDES电路的驱动要求而使用光学,但成本将是禁止的。光子组件能够高得多的带宽,并且需要多路复用到单个光通道上的许多电路。

这是使用波分复用的实现。组合多个光束很简单,因为不同频率的光束不会相互干扰。从前一篇文章中的英特尔图中的图表是为了清楚起见。

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来源:连续硅激光器。英特尔公司

它显示了如何使用不同的长度激光腔创建不同的激光频率,每个激光频率在将碎片被剥离到相应的解调器和解调器之前将它们组合在一起。

波导
最后,光通道必须围绕芯片布线,以将光学组件连接在一起并在芯片上和关闭光学信号。

“波导嵌入硅中”John Ferguson,在导师图形的Caliber DRC应用程序产品营销经理John Ferguson说。“在一定波长的光 - 幸运的是,这与最适合光学加工的频率相一致是透明的,氧化硅是绝缘体,这意味着您可以制作一个几乎理想的光波导。所以你可以蚀刻硅以雕刻一个波导。“

在Mentor的Caliber DRC应用程序的工程高级总监Juan Rey Adds“这解释了为什么我们今天看到的更多应用是绝缘体技术的硅,因此底部氧化物是那些不透明层之一。”这意味着可以使用标准CMOS过程创建它们。

芯片可以包含任何数量的波导,并且与电信号不同,它们可以在它们之间几乎没有信号完整性问题。虽然很少有人今天正在使用这个,但它可能是 - 未来可能是一个很大的优势。具有电信号,您必须通过需要上下通孔的金属化线传递给它们。这会影响功率要求,最终可能导致芯片上使用的光子。

“通过CMOS电路将Silicon Photonics集成有三种方法”,EV集团的业务开发经理Martin Eibelhuber Martin Eibelhuber说。“光子可以埋在CMOS层之外,在其顶部或处理在不同的晶片上。通过将其堆叠到CMOS晶圆来整合光子仪的优点是它允许灵活地选择电子和光子,而无需增加热预算。“

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资料来源:Roel Baets,Photonics Research Group,Ugent - IMEC

鉴于将波导放入硅片是如此简单,为什么有人考虑将其放在其他地方?“挑战是,与大多数先进技术节点相比,所有光子学设备都是巨大的”Rey“。“许多这些设备不能缩小,因为硅是透明的几个波长,这约为1μm波长的顺序。这限制了这些设备的尺寸。

Kotura最近开发了一种电子吸收(EA)调制器,其声称是比传统的Mach-Zehnder干涉仪(MZI)样式调制器小的25倍。EA调制器的长度为55μm,他们说将以毫米测量竞争的MZI版本。

这就是为什么IBM正在使用90nm的一个原因,以便今天制造他们的光电芯片,因为它们认为这在电子和光子组件之间提供了合理的成本平衡。

组件规模中的这种不匹配是为什么有些公司认为正确的方法是使用倒装芯片技术整合诸如激光器的组件,或者最终是2.5D或3D模叠。“诸如调制器的组件是10S微米的量级,”Rey说。“波导的宽度趋于约100nm至1μm。”

但是,只要返回到较旧的节点,除了电子元件的密度,功率和成本之外,就存在挑战。在许多情况下,在最小的电子元件中具有相同类型的主题,同样适用于光子学。例如,即使光子装置更大,它们对厚度的变化更敏感,并且在组件之间存在的一些关键间隙。设备行为非常依赖于设计者定义的事物和尺寸的实际形状。

“这样的技术可能是破坏性的,并且需要在埃德行业支持大量工作”弗格森说。“通过口径,我们询问需要做些什么来验证光子结构是否与传统的IC结构进行比较。最大的区别是形状。我们习惯于以直线为直线的曼哈顿结构,也许是45°的转弯,大多数验证引擎都调整为此。在光子学世界中,突然90°变动将是一个问题,所以我们需要仔细设计波导的曲线。验证成为一个独特的区别,但由于我们在多年前推出了基于公式的验证,我们能够处理它。我们可以测量弯曲曲线的宽度,并查看它的各种段,数学地计算所需的结果。“

完全集成EDA流程所需的另一种工具是LVS。这里的情况是相似的,但挑战是有点棘手的,因为工具必须知道曲线是什么才能首先是什么。简而言之,这要求行业决定如何传达该信息,以及光学组件所需的许多其他新件,例如规则文件。

“今天有一些缺少的碎片,如模拟,”弗格森说。“我们习惯于进行香料模拟,这是非常电子和设备的。使用光子,它不仅是设备,而且必须确保您的互连表现得完全如指定。这需要模拟光学行为,并且在大规模的光子仿真上没有完成许多工作。我们需要高容量,高性能的光学模拟器绑在电气仿真中。这要么必须是后布局,否则你需要一种方法来估计东西。“

该行业正试图赶上技术。例如,SI2总裁Steve Schultz指出,“没有光子知识的PDK标准,也没有标准的API将商业EDA和光子学工具联系在一起,这对于这种能力的广泛商业化至关重要。”有一个名为Plat4M的欧洲项目正在致力于开发这些,“添加凯文Nesmith首席架构师Si2,”以及如何存储通用PCell格式。“

虽然今天硅光子的组件都是可能的,但是那些在这一领域冒险的人将用作定制芯片开发,而且很少有工具准备帮助它们。这真的是出血边缘的看起来。



2评论

保罗布朗乌尔 说:

尚不清楚Si-Integrated激光是否是圣杯或只是另一个可倾斜的风车。

大型CPU的真正挑战是同步:获取所有关键电路,同意它的时间,他们在没有相位错误的情况下一起工作。设备越大,频率越高,该问题变得更糟,因为时钟信号开始遭受相位误差对信号传播延迟进行跳动。

光学频闪脉冲是因为您可以收集,更快,并且传播相位误差为零,以便实际目的是零。如果可以通过整个芯片闪烁光学信号(例如,在基板带隙下方的能量下),则芯片上的任何地方的传感器都可以用零相位误差检测并保持所有电路同步。

这是一个实际需要和潜在的实用解决方案。

不太明确的需求和相当不切实际的解决方案与数据传输有关。

正如您所知,电子和孔是费米子,这意味着它们是保守的 - 他们闲逛,并且尽可能地脱离,并且只要有人能够说明。(这不适用于电子孔对,该电子孔对真正有一种玻色子。)电子将在电容器中愉快地在电容器中居高不下,至少与GHz时间尺度相比至少相比。

光子是玻若,这意味着它们具有基本上的保质期。在没有自由空间的情况下,他们绝望快速变成了一些其他形式的能量热。热量是一种差的信号传播者。

鉴于光子的短寿命,硅上的激光器的基本问题是它们需要始终处于开启,特别是在激光泵壳中,以便传输数据。在某些架构中,这是有道理的,但在大多数好处,在散热,功耗和设计,制造过程,设备集成和包装中增加复杂性的效益不值得。

如此有趣,但可能很快就不会进入Xbox。

Paul Brunemeier,博士。
研究与开发总监
TED Pella,Inc。

Brian Bailey. 说:

谢谢保罗。我同意我们现在证明了这是可能的。下一步是在实用和经济方面锻炼。对于某些应用,特别是数据中心,可能是这样的,但对于别人来说,我倾向于同意你的意见,经济学将不是在那里。

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