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硅光子学进入焦点

使用光来移动大量数据看起来很有前景,但差距仍然存在,采用时间将因应用而异。

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硅光子学作为数据中心内部铜布线的配套技术,正吸引越来越多的关注和投资,这引发了新的问题:接下来会发生什么,什么时候会发生。

光一直是速度的终极标准。它需要更少的能量来移动大量数据,产生的热量比电能少,而且它在长距离或短距离上都能很好地工作。此外,许多专家认为,与通过铜线传输的数据相比,用光子传输的数据将更难被破解。

由于所有这些原因和其他原因,投资正在增加硅光子学。加州大学圣巴巴拉分校(UC Santa Barbara)的一项研究显示,2009年至2015年,论文数量增加了一倍多,达到约1.4万篇。在2005年,有大约500篇关于这个主题的论文。不像过去,大多数研究是由学术或政府资助的,今天的资助主要来自商业来源

在其他方面也有明显进展的迹象。导师图形节奏有硅光子设计的刀具流。Synopsys对此与此同时,该公司一直在扩大其光子学和模拟软件产品线,该产品线是2012年收购RSoft Design Group时收购的。GlobalFoundries也加大了对其商业化过程的投资。现在的问题是,基础设施能多快开发、审查和利用硅光子学在新的应用和新的市场。

长期目标是利用光子在芯片上传输数据,最终取代SerDes,传统的互连,甚至是传统的晶体管。但这可能需要十年甚至更长时间。短期和中期目标更多地集中在数据中心和网络内,其中的数据来自视频、各种类型的成像(包括嵌入式视觉和虚拟/增强现实),以及物联网传感器的激增。第一次大规模部署基于光通信始于上世纪90年代,利用光纤奠定了互联网的主干网。自那以后,它已经扩展到数据中心,在那里,硅光子学被用于机架服务器之间的通信,以及这些服务器和存储之间的通信。下一阶段预计将涉及封装内芯片之间的通信。

但要真正推动这项技术向前发展,还必须解决一些技术和商业方面的挑战。光源基于材料如砷化镓、砷化铟(ina)或铟砷化镓(InGaAs)需要更紧密耦合到生产过程,实现规模经济,过去一直有问题,因为这些III-V材料难以使用传统硅过程工作。

加州大学圣巴巴拉分校教授、美国光子学制造协会(AIM)副首席执行官约翰·鲍尔(John Bower)表示,此外,还需要工具来有效处理波导侧壁粗糙度、空间分离和波导和器件的模级变化。这是美国政府与纽约、马萨诸塞和加州大学的联合努力。

“现在需要的是增加这些激光器的寿命,”Bower说。“我们的目标是4000小时。我们已经看到了2100个小时,这对任何人的激光来说都不够。”

目前还不清楚这些改革将以多快的速度实施。尽管如此,对这个市场规模的估计足以让我们至少得到一些关注。globalfoundries预计这将在三年内成为3亿美元的市场,促进了过程技术的持续改进,更容易将光源融入硅,这是技术支持者所识别的主要问题。鉴于数据增长率,硅光子图标是可能的解决方案的非常短的清单。

GlobalFoundries高级研究员Ted Letavic表示:“IP(互联网协议)流量超过了带宽。”“到2020年,移动数据使用量将达到每月30.6艾字节。”

Letavic认为硅光子的第一次重大影响将是数据中心的重新构建。他表示目前的思维是建立许多较小的数据中心并用硅光子连接连接它们。“光学互连将取代铜并用于增强微波和毫米波。使用5g,您需要从数据中心到小单元格的高速互连。您将每秒至少1千兆位到边缘节点,小小区和基站之间每秒16到25千兆位。“

扩展的扩展将涉及异构网络,或者HetNets他说,这些将受益于光子学集成。然后,随着时间的推移,该技术将迁移到2.5D,3D和单片包装中。“热光学效应仍然必须是非常精确的模型,并且在波导设计上需要大量改进。我们还需要更多的结构化工具,以获得可靠性。“

GlobalFoundries并不是唯一一家将硅光子学视为巨大机遇的公司。UCSB的Bower说,惠普企业、英特尔和瞻博网络都在积极追求光子的异构集成。思科在这个市场也有大笔投资。

简而言之,硅光子学依靠光波导而不是铜来传递光。真正的挑战是将光源整合到硅中作为制造过程的一部分。目前的方法是使用量子阱——基本上是制造一种III-V材料(如砷化镓)的夹层,夹在另一种III-V材料(如砷化镓铟)的层间。通过这样做,电子被捕获垂直于层表面,以创造一个激光光源。

用量子点取代量子井的研究正在进行中,量子点可以通过改变量子点的大小或形状进行微调。当施加电流时,这些点发出特定频率的光。研究人员表示,这将降低集成光源的成本,降低功率门槛,并随着时间的推移提高可靠性。

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混合硅III-V光学放大器。量子孔是红色的。来源:学报

适应与改造
尽管光子学和硅基半导体在技术上有一些根本的差异,但也有一些重叠。

Bower说:“通常有30个掩模层,每个芯片有400多个元件。”“我们需要的是光子版的摩尔定律。”

还有其他相似之处。麻省理工学院电子和计算机科学教授Duane Boning说:“像线宽和边缘粗糙度这样最敏感的参数已经在硅中进行了处理。”“灵敏度滞后于IC应用,但随着GlobalFoundries从200mm工艺发展到300mm工艺,光子学将会有很大的改进。你得到了更精细的过程控制。CMOS技术仍然领先几代人,但我们在光子学中看到的是,它正在收集足够的复制来理解更微妙的变化。例如,我们知道晶圆的厚度。我们必须应对如此多的热变化,我们必须适应和调整结构。”

他说,这些方法中的一些可能很难转化到硅光子学的世界,但它们不需要重新发明。

设计方面的技术也适用。“我们在高级节点中学习了很多东西,如自我加热,那里解决方案非常适用于光子,因为它提供了热图,”吉尔斯·洛斯·索斯的杰出工程师说。“我们也处理了翅片上的线边缘粗糙度,这非常适用于波导。还有可能为光子学提供其他东西,例如制造的设计。“

Lamant补充说:“关键是确保设计意图得到正确实现。”

工艺设计套件在硅光子的作品中也是如此。Chris Cone,Mentor Graphics的Pyxis IC站产品营销经理表示,要使用光子学创建设计,您可以拍摄PDK并将其构建在两个或三个专用设备周围。“Photonics是一个新的市场,所以基本上你在一个新颖的设备上设计。但你仍然对DRC(设计规则检查)和LVS(布局与原理图),光刻模拟进行了验证,您仍然需要在CMOS中进行全流量。“

根据Twan Korthorst,菲尼克斯首席执行官Twan Korthorst的说法,凤凰软件于2008年开始于2008年为IMEC开发PDK。

Korthorst公司指出,也正在探索其他地区,包括生物照相学,在光线而不是电子器件。“有些光不仅限于波导。它受到周围环的影响,你用化学品涂抹。因此,化学物质可能对某些细菌敏感。我们在生物领域看到了商业公司。“

导师的锥指向另一个生物医学应用,涉及由一系列微毛细管阵列产生的传感器。“你能够根据分子源来分析分子。然后,您使用光学与它们互动并找到血液中的潜在病原体。“

其他前锋的进步
虽然硅光子可以提供潜伏的巨大减少,但这不是难题的唯一一部分。有关以光速移动的数据,还必须加速一切。这意味着需要处理和路由的信号比今天要快得多。在芯片级别,这最终可能成为一个要求,因为越来越瘦的电线,更薄的触点和最先进节点的电介质中的预测故障。

“营销副总裁Mike Gianfagna说:”沟通速度总是需要更高,更高的沟通速度eSilicon。“SerDes已经在高端网络和计算空间中发挥了作用。我们在高带宽内存和关键任务堆栈之间的接口中也看到了这种情况。对更高带宽的需求保持稳定,这使得SerDes成为目前最关键的因素。这就像现在的入场费一样。它已经被证明有可靠的部署。”

要多久才足够好,SerDes什么时候会失去动力,为光子学提供机会,都是未知的。

“在网络空间中,已经谈到了高带宽,低延迟技术,即取代SERDES,”营销副总裁Kurt Shuler说动脉杆菌。“对于一些利基的一些筹码,光子学可能工作,也许在未来,我们将看到芯片到芯片。我们一直在使用CCIX(缓存相干互连的加速器)联盟,其中一切都会使用CCIX控制器在PCIe PHY上运行。将来,不会在董事会上。但你仍然需要物理连接,并且光子会产生更少的热量。“

Shuler说,在芯片层面,最大的瓶颈是SoC和DRAM之间的通信。“如果你看看高带宽内存(HBM)和混合内存立方体(Hybrid memory Cube),每个人都在试图解决这个问题。但是DRAM仍然更慢,更便宜,所以考虑到这样的限制,你如何让一切运行得更快呢?一种解决方案是添加更多的SRAM。您可以构建缓存一致性和代理缓存,如果任何元素都可以使用它,而不是只使用一个处理器,就会有所帮助。但是对于DRAM,它不仅仅是延迟和带宽的问题。这也是关于权力的。”

这就是光子学的优势所在。“如果你看一看路线图上的趋势,就会发现有一种远离硅的趋势,”硅谷的格雷格·埃里克(Greg Yeric)说手臂伙伴。“包括锗和铟 - 砷化镓等材料。它不可思议的是,光子学将不会成为其中的一部分,有一天,您将在一个真正关心性能的人员中看到一个专用的光子学芯片。我们也可能会看到朝向血浆的移动。具有纳米制造能力,可以制作薄膜的正确厚度和图案,并从光子转换为等离子体。“

但是,所有这些技术能以多快的速度发展成为一个充满活力的市场机会,可能取决于其他技术的发展情况。一个经典的比较是以太网领域,当无线普及时,所有人都认为以太网将会消亡。事实恰恰相反。

“由于规模经济的原因,工业正在全部转向以太网,”周立新(音译)说,他是华为交换产品线的高级总监迈威尔公司。“如果您查看高性能计算,那么大多数基于以太网。它曾经是InfiniBand和光纤通道。现在它是以太网的光纤通道。“

当以太网在1980年被引入时,它的传输速率是2.94兆比特/秒。最新的以太网速度高达100gbits /秒,现有收发器内部的以太网速度从25gbps /线增加到10gbps /线,用于四线连接,这也提供了更细粒度的流量控制。

这是否足以抵消光子学等更快技术的采用可能取决于应用,但关键是没有什么是静止的。因此,虽然光子学已经近在眼前,但我们还需要把时间问题放在其他技术的背景下考虑,还要面对坚持摩尔定律的挑战,以及各种各样与光子学只存在一线联系的其他问题。

结论
光子学的承诺是巨大的。目前尚不清楚速度是主要的驱动力,还是电力和热效应是否会推动它。它可能是其中一个或全部。但是,当这将发生或者它将首先发生这种市场时,这是不明的。

这是一项尚处于起步阶段的技术,从电子设计到制造流程的几乎每一个方面都在发生着变化。量子计算,神经网络,人工智能和机器学习所有都会对移动数据的体积和所需速度产生影响,并且光子学将是拼图。市场上有多大的东西,在那里发生这种情况 - 它是否仍然是服务器和存储机架之间的通信频道,或者是否将进一步移动到芯片 - 何时是所有大问题标记。

尽管如此,没有什么比光速更快地移动,并且随着倾注研究的金额,这个市场似乎正在迅速移动。

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5点评论

Witeken. 说:

哇,没人提到英特尔今年开始了他们的硅光子学业务。相反,我们得到了一些关于广发如何投资的讨论。我想对他们来说很好。

ed sperling. 说:

英特尔确实在硅光子学领域投入了大量精力。这是之前一个故事的主题,焦点转移到光子学。

Witeken. 说:

好的,谢谢你。

memister 说:

制造波导甚至透镜和镜子都很简单,但制造高效率的激光器就不那么好了。更不用说,即使温度变化,波长也不会漂移。

米歇尔李 说:

我刚刚发现它很棒,硅光子学正常有关新的硅球员,如复合品和IGSS

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