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光电收发模块如何运作?硅光子目前技术瓶颈在哪?

youyou368 来源:technews 2023-06-07 09:29 次阅读

随着AI、通讯、自驾车等领域对海量运算的需求渐增,在摩尔定律的前提下,集成电路的技术演进已面临物理极限,该如何突破?那就是走向光,目前许多国内外厂商正积极布局「硅光子」(Silicon Photonics)技术,当电子结合光子,不只解决原本讯号传输的耗损问题,甚至视为开启摩尔定律新篇章、颠覆未来世界的关键技术。

集成电路(IC)将上亿个电晶体微缩在一片芯片上,进行各种复杂的运算。硅光子则是集成「光」路,把能导光的线路全数集中。简单来说,是在硅的平台上,将芯片中的「电讯号」转成「光讯号」,进行电与光讯号的传导。

随着科技进步迅速、计算机运算速度提升,芯片间的通讯成为计算机运算速度的关键。去年 ChatGPT 刚推出,问答过程中易出现卡顿、跳掉的状况,也和数据传输问题相关,因此 AI 技术不断升级时,维持运算速度是迎接 AI 时代的重要一环。

硅光子能提升光电传输的速度,解决目前计算机元件使用铜导线所遇到的讯号耗损及热量问题,因此台积电、英特尔等多间半导体巨头已经投入相关技术研发。

但在介绍硅光子应用与瓶颈前,我们需要先了解光电收发模块的运作:

光电收发模块如何运作?

先想象光电收发模块是类似 USB 的长方形模块,插进计算机后才能读取信息。换言之,光讯号必须先进入该模块,才能将讯号打入服务器。

传统的插拔式模块(transceiver,又称收发器)内部有许多光电元件,当光讯号进去模块里,会需要光接收器(PD,Photodetector)来接收光,之后讯号源进入模块,因为光的电流很小,需要放大器TIA)将电流信号放大,同时把电流信号转换成电压。

电讯号进入主机后会遇到交换器(Switch),能将电讯号进行处理、转换,判断电该从哪个轨道出去,出去后经过光调变器(Optical Modulator),同时搭配雷射光源输入的情况下,将电讯号再切换成光讯号,这就是光电收发模块的概念。

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硅光子和光电收发模块有什么关系?

一个光电模块包含光接收器、放大器、调变器等许多元件,过去这些元件都是个别、零散地放在 PCB 板上,但为了提升功耗、增加讯号传输速度,这些元件改成全整合到单一硅芯片上,这是硅光子的「精神」。

之所以说「精神」,是因为在硅平台上的光电讯号转换,都能算在硅光子技术范畴,过程中需克服的面向也不同。也因此,为了让读者更好理解,我们会以硅光子发展至今的每个阶段,作为分享的主轴。

集成电路下一步集成「光」路:硅光子三部曲

一、硅光子第一阶段:从传统插拔式模块升级

硅光子已默默耕耘 20 多年,传统的硅光子插拔式外型非常像 USB 界面,外接两条光纤,分别传输进去和出去的光;但插拔式模块的电讯号进入交换器前,必须走一大段路(如下图 b),在高速运算损失又多(大),所以为了减少电损失,硅光元件改到接近服务器交换器外围的位置,缩短电流通的距离,而原本的插拔式模块只剩下光纤。

而上述这个作法,正是目前业界积极发展的「共封装光学模块」(CPO,Co-Packaged Optics)技术。主要是将电子集成电路(EIC)和光子集成电路(PIC)共同装配在同一个载板,形成芯片和模块的共同封装(即下图 d 的 CPO 光引擎),以取代光电收发模块,使光引擎更接近 CPU/GPU(即下图 d 芯片),缩减电传输路径、减少传输耗损及讯号延迟。

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据了解,这项技术能降低成本,资料量传输提升 8 倍,提供 30 倍以上的算力并节省 50% 功耗。但目前芯片组的整合仍处于现在进行式,如何精进 CPO 技术,成为硅光子发展的下一个重要步骤。

二、解决 CPO 瓶颈然后呢?硅光子第二阶段:解决 CPU/GPU 对传问题

目前硅光子主要在解决插拔式模块的讯号延迟之挑战,随着技术发展,下一阶段将会是解决 CPU 和 GPU 传输的电讯号问题。学界指出,芯片传输以电讯号为主,所以下一步要让 GPU 和 CPU 透过光波导进行内部对传,将电讯号全转为光讯号,来加速 AI 运算并解决目前算力瓶颈。

三、硅光子终极第三阶段:全光网路(AON)时代来临

当技术再往下一步走,将迎接「全光网路」时代,意思是芯片间的所有对传全变成光讯号,包括随机存储、传输、交换处理等都以光讯号传递。目前日本已在硅光子导入全光网路这部分积极布局。

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硅光子如何开启摩尔定律新篇章?能导入哪些应用领域?

摩尔定律预测,相同尺寸芯片中能容纳的晶体管数量,因爲制程技术推进,每 18~24 个月会增加一倍。但由于芯片是电讯号,传输会有讯号损失的问题,即使单位面积晶体管数量渐增,仍无法避免电耗损的问题。

然硅光子技术的出现,以光讯号代替电讯号进行高速资料传输,实现更高频宽和更快速度的数据处理,使芯片不需挤更多晶体管数量,不需追求更小奈米和节点,且能在现有硅制程基础上实现更高集成度、更高效能的选择,进一步推动摩尔定律的发展。

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由于高频宽、小尺寸、低能耗和成本效益等优势,硅光子在通讯和高速运算领域极具发展潜力,可应用于生医感测、量子运算、机器学习、光学雷达(LiDAR)等领域。以光达为例,若未来发展到Level 4~5的无人自驾车,面对复杂的外在环境,讯号处理必须非常快速,以硅光子技术为基础的 LiDAR 感测是目前相当被看好的突破方式,这些应用潜力将带来革命性的变化,促进通信、医疗和科学等领域的技术革新,开创更智能、高效的未来。

硅光子目前技术瓶颈在哪?

目前硅光子在元件整合上仍有诸多挑战,首先是界面沟通语言问题,举例来说,半导体厂商虽然了解电的制程,但因为光子元件效能对温度和路径都很敏感,制程上线宽与线距对光讯号影响相当大,若要开发更高效的光子元件结构和制程,需要一个沟通平台,提供设计规格、材料、参数等,进行光电厂商的信息语言整合。

再者,短期硅光子用于利基型市场,各类型的封装制程与材料标准也还在陆续建立中,大多提供硅光芯片下线的晶圆代工厂都属于客制化服务,或者不方便提供给他厂使用,缺乏统一平台恐阻碍硅光子技术的发展。

除了以上提到的缺乏共通平台外,高成本制造、光源集成、元件效能、材料匹配、热效应和可靠性等也是硅光子制程瓶颈之一。随着技术的不断进步和创新,预计这些瓶颈在未来数年到十年内有望得到突破。





审核编辑:刘清

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原文标题:硅光,颠覆未来的关键技术

文章出处:【微信号:jbchip,微信公众号:电子元器件超市】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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