電子芯片與光子芯片的3D集成方式

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，人工智能（AI）以及更具體的大型語言模型（例如ChatGPT）的最新進(jìn)展給數(shù)據(jù)中心帶來了壓力。人工智能模型需要大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，為了在處理單元和內(nèi)存之間移動數(shù)據(jù)，高效的通信鏈路變得非常必要。

對于長距離通信，光纖幾十年來一直是首選解決方案。對于短距離數(shù)據(jù)中心內(nèi)的通信，由于光纖與傳統(tǒng)電氣鏈路相比具有出色的性能，業(yè)界現(xiàn)在也開始采用光纖。

最近的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)在甚至可以在非常短的距離內(nèi)從電氣互連切換到光互連，例如同一封裝內(nèi)的芯片之間的通信。這需要將數(shù)據(jù)流從電域轉(zhuǎn)換到光域，這發(fā)生在光收發(fā)器中。硅光子學(xué)是制造這些光收發(fā)器中使用最廣泛的技術(shù)。

通過3D堆疊實現(xiàn)集成，但不可忽視熱影響

封裝內(nèi)的有源光子器件（例如調(diào)制器和光電探測器）仍然需要與電子驅(qū)動器連接，以便為器件供電并讀取傳入數(shù)據(jù)。通過3D堆疊技術(shù)將電子芯片（EIC）堆疊在光子芯片（PIC）之上，可實現(xiàn)芯片之間非常緊密的集成，并且寄生電容很低。

電子芯片與光子芯片的3D集成

近期，比利時的研究人員對這種利用3D堆疊方式實現(xiàn)集成的熱影響進(jìn)行了研究，并在Journal of Optical Microsystems期刊上發(fā)表了相關(guān)論文進(jìn)行介紹。

光子芯片的設(shè)計由環(huán)形調(diào)制器陣列組成，這些調(diào)制器以其溫度敏感性而聞名。為了在數(shù)據(jù)中心等要求苛刻的環(huán)境中工作，它們需要主動熱穩(wěn)定。這是通過集成加熱器的形式實現(xiàn)的。出于能源效率的原因，顯然應(yīng)該最小化熱穩(wěn)定所需的功率。

來自魯汶大學(xué)（KU Leuven）和納米/光學(xué)研究中心imec的研究團(tuán)隊通過實驗測量了將電子芯片倒裝焊接光子芯片之前和之后環(huán)形調(diào)制器的加熱器效率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)加熱器效率相對下降了（-43.3%），研究團(tuán)隊將其描述為“重大影響”。

此外，3D有限元模擬將這種損失歸因于電子芯片中的熱擴(kuò)散。應(yīng)避免這種熱擴(kuò)散，因為在理想情況下，集成加熱器中產(chǎn)生的所有熱量都包含在光子芯片附近。倒裝焊接電子芯片后，光子器件之間的熱串?dāng)_也增加了高達(dá)+44.4%，使單獨的熱控制變得更加復(fù)雜。

量化3D光子/電子芯片集成的熱影響至關(guān)重要，但防止加熱器效率損失也同樣重要。因此，進(jìn)行了熱模擬研究之后，研究人員改變了典型的設(shè)計變量，以提高加熱器效率。結(jié)果表明，通過增加微凸塊和光子芯片之間的間距以及減小互連線寬，可以最大限度地減少3D集成的熱損失。

審核編輯：湯梓紅