硅光技術展望：電子學和光子學之間的根本區(qū)別

在虛擬化、網絡和計算等行業(yè)趨勢的推動下，數(shù)據量和消耗量的爆炸式增長繼續(xù)將光子解決方案推向領先地位。2 月 2日舉辦的DesignCon小組討論會上，來自英特爾、GlobalFoundries、Nvidia、思科和 Ayar Labs 的行業(yè)專家齊聚一堂，就光子技術的現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)和未來進行了動態(tài)和全面的討論和生態(tài)系統(tǒng)。

硅光子學：對速度和效率的不懈追求

面對激增的帶寬需求和通信消耗的相關功率，半導體行業(yè)正在對光互連技術進行多元化投資。電氣互連在性能、范圍和功耗的可擴展性方面從根本上受到限制。這就是光互連的優(yōu)勢所在。分析師預計，在未來 5 到 10 年內，硅光子市場和應用的年增長率將達到 20% 到 40%。雖然迄今為止的增長主要由數(shù)據通信和收發(fā)器市場推動，但現(xiàn)在出現(xiàn)了令人興奮的應用多樣化，包括 LiDAR、生物傳感、計算、新型 I/O 和量子計算等。

對光子系統(tǒng)有真正的需求，業(yè)界通過創(chuàng)建一個與電子設計自動化 (EDA) 行業(yè)非常相似的生態(tài)系統(tǒng)來響應，通常稱為電子-光子設計自動化 (EPDA)。從早期僅以 PDF 文件形式提供光子 PDK（工藝設計套件）以來，設計工具和整個生態(tài)系統(tǒng)已經取得了長足的進步。一個值得注意的例子是高級 EPDA 設計工具，正如 James Pond 在圖 2 中強調的那樣，“今天我們在 EPDA 中擁有首要的工作流程。它提供了您所期望的各種功能，例如原理圖驅動的布局、Virtuoso 布局套件和 Ansys 多物理場求解器之間的鏈接和直接橋接、制造兼容的定制設計、參數(shù)提取以創(chuàng)建準確的統(tǒng)計緊湊模型并支持 PDK 開發(fā)。

從靈活的可插拔收發(fā)器到共同封裝的光學發(fā)電站

今天，光子學已經從公里長距離的主導地位下降到米長距離。我們看到可插拔光子收發(fā)器從產品引入階段迅速發(fā)展到每年生產數(shù)百萬臺。可插拔收發(fā)器是高度模塊化的，只要滿足目標通信規(guī)范，任何供應商都可以提供。它們直接插入前面板插座，然后信號通過電氣 SerDes 鏈路傳送到 ASIC，最終在 ASIC 中進行計算和處理。這種方法的缺點是銅線連接容易受到 RF 損耗的影響，尤其是在高速通信時。

Intel Foundry Services 硅光子戰(zhàn)略負責人 Robert Blum 回憶說：“當我們在 2016 年推出帶有可插拔收發(fā)器的 SiP 時，我們還制定了一個愿景，最終目標是將光學器件引入處理器。SiP 是唯一可以做到這一點的技術?？刹灏问且粋€起點，芯片到芯片的光鏈路有望緊隨其后?！?/p>

面對我們對數(shù)據永無止境的胃口，半導體行業(yè)面臨著跟上越來越高的帶寬、延遲和功耗需求的壓力，這些需求正在推動創(chuàng)新解決方案，將光學元件從面板移至更靠近板載和片上的位置使用 ASIC，完全消除了對耗能 SerDes 連接的需求。

“經過多方期待，在 2022 年，我們開始看到光纖直接連接到 ASIC 封裝而不是插入面板的光子解決方案。對于光子學來說，這是令人難以置信的激動人心的時刻！”Pond 評論道。

現(xiàn)在想象一下，我們擁有打破當今速度和帶寬限制的技術！這對 AI/ML 中的架構和廣泛的新興應用意味著什么？Ayar Labs 激光工程副總裁 Matt Sysak 描述了一個充滿無限可能的未來，“如果導致我們今天設計計算機的方式發(fā)生變化，這將意味著可以自由地重新構想計算機架構。在 Ayar Labs，我們的愿景是讓光學 I/O 無處不在，這不僅會加速計算，而且有可能重塑它。”

兩種技術的故事：電子學和光子學之間的根本區(qū)別

一方面，硅光子學的興起在很大程度上歸功于對電子行業(yè)數(shù)十年的投資和 CMOS 制造中硅晶圓加工的成熟，GlobalFoundries 硅光子學產品管理副總裁 Anthony Yu 進一步解釋說， “我們繼續(xù)擴大我們的光子代工能力，以幫助我們的客戶將光子學的優(yōu)勢帶到不同的市場。我們只有將從 CMOS 代工模型中學到的知識應用到光子學中，并與生態(tài)系統(tǒng)的各個部分密切合作，例如與 Ansys Lumerical 合作，以在 PDK 中實現(xiàn)代工兼容、可預測的模型庫，我們才能取得成功。”

Nvidia 的硅光子產品架構師 Ashkan Seyedi 補充說：“我們將電子產品視為我們的老大哥。

然而，所有小組成員的共識是，電子學和光子學之間存在一些根本差異，一方面，在 SiP 中沒有等同于摩爾定律的東西，至少在我們將密度加倍和成本減半的意義上沒有.。

思科首席硬件工程師、光子學領域經驗豐富的資深人士 Thierry Pinguet 詳細闡述道：“光子學中沒有晶體管的等價物，因此沒有通過改進光刻技術來提高器件密度的世代改進。光子學的世代改進來自組件和電路級設計以及組裝和封裝進步的創(chuàng)新?！?/p>

這就是為什么大多數(shù)硅光子平臺都基于舊的 CMOS 技術節(jié)點。

Dennard 縮放可能已經結束，但挑戰(zhàn)依然存在，因為該行業(yè)正面臨著對高速網絡/互連和加速計算的前所未有的需求。被推入摩爾定律真正難以堅持的未知領域，光子學提供了保持這一進步的機會。Seyedi 提出“是時候重新定義摩爾定律了。當我們縮小范圍時，系統(tǒng)會不斷改進。我們應該考慮擴展摩爾定律的新指標，例如封裝?！?/p>

無論您如何定義摩爾定律，都存在引入新光子技術的轉折點。今天，數(shù)據中心使用的是 800Gb 產品，但幾年前是 400Gb 和 200Gb。有幾個因素促成了整體傳輸容量的這種擴展，包括高階調制格式，如由高級數(shù)字信號處理 (DSP) 技術實現(xiàn)的正交幅度調制 (QAM) 和大規(guī)模并行，如波分復用 (WDM)，以及組件級別的創(chuàng)新設計，例如分段調制器?？紤]到與硅中光子壽命等物理因素相關的帶寬和調制效率之間的基本權衡，設計人員正在探索前端新材料的異構集成。

照亮可擴展性之路

封裝是一個引起所有小組成員共鳴的熱門話題，并提出了圍繞標準化和生態(tài)系統(tǒng)中缺乏 IP 的挑戰(zhàn)?？紤]光纖連接，這涉及將光纖放置并粘合到精確位置的封裝中，隨著光纖數(shù)量的增加，最大限度地減少由于未對準造成的損失變得更具挑戰(zhàn)性。

幾十年來，社區(qū)內圍繞光纖附件收集了很多常識，但許多設計師仍然花費資源開發(fā)自己的流程?！八皇菦]有增加內在價值。設計師希望專注于創(chuàng)新而不是重新發(fā)明輪子，因為沒有交鑰匙解決方案。今天，人們仍在創(chuàng)新，但我們也開始在某些領域看到一些融合。這就是英特爾推出小尺寸產品的原因，高密度可拆卸光纖連接器，具有與其他共同封裝光學方法兼容的損耗，并與標準工業(yè) PIC 和任何 2D、2.5D 或 3D 封裝兼容。標準和 IP 庫是光子學生態(tài)系統(tǒng)中的關鍵組成部分，是使光學成為大批量生產所必需的。” 布魯姆說。

近年來，我們開始看到制造商不斷發(fā)展，以提供用于原型設計的開放訪問模型、用于研發(fā)的多項目晶圓運行，以及為那些加速商業(yè)化的供應商提供低到高產量的吞吐量。制造廠是經濟驅動的，這轉化為最大限度地整合到一個平臺中。

“挑戰(zhàn)在于，當今光子學行業(yè)的供應商差異化并不是基于具有 ASIC 世界中存在的 IP 塊固定塊的單一平臺。至少現(xiàn)在還沒有。如果您打開任何可插拔模塊，它們內部看起來會有所不同，因為每個解決方案都是定制的?？量痰膽贸绦蛞笳谕苿佣ㄖ圃O備的設計，這些設備可能不會在單一平臺下提供?！?Pinguet 解釋道。西薩克補充道，

一方面，硅光子生態(tài)系統(tǒng)正在朝著流程、平臺和設計自動化的標準化方向發(fā)展，尤其是對于可插拔收發(fā)器等成熟應用。另一方面，對更高性能的需求和新興的新應用正在推動定制化并推動新材料和工藝的引入，我們仍處于早期階段。

“隨著時間的推移，我們將看到光子學轉向類似 ASIC 的模型，IP 供應商和整合平臺將支持大批量解決方案。但現(xiàn)在，我們慶祝光子設計師的創(chuàng)造力和才華?！?參會者總結。

編輯：黃飛

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