硅光芯片的春天又要來了?
近日,記者了解到,臺(tái)積電將攜手博通、英偉達(dá)等大客戶共同開發(fā)硅光子技術(shù)、光學(xué)共封裝(co-packaged optics,CPO)等新產(chǎn)品,該技術(shù)適用于45nm到7nm的芯片制程,預(yù)計(jì)最快明年下半年迎來大單,并在2025年左右達(dá)到量產(chǎn)階段。 這一次,硅光芯片的春天又要來了? 硅光芯片曾經(jīng)發(fā)展不及預(yù)期 硅光芯片是一種基于硅晶圓開發(fā)出的光子集成芯片,它利用硅光材料和器件通過特殊工藝制造集成電路,具
2023-10-08 08:43:42
來源:中國(guó)電子報(bào)、電子信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng) 沈叢??

近日,記者了解到,臺(tái)積電將攜手博通、英偉達(dá)等大客戶共同開發(fā)硅光子技術(shù)、光學(xué)共封裝(co-packaged optics,CPO)等新產(chǎn)品,該技術(shù)適用于45nm到7nm的芯片制程,預(yù)計(jì)最快明年下半年迎來大單,并在2025年左右達(dá)到量產(chǎn)階段。

這一次,硅光芯片的春天又要來了?

硅光芯片曾經(jīng)發(fā)展不及預(yù)期

硅光芯片是一種基于硅晶圓開發(fā)出的光子集成芯片,它利用硅光材料和器件通過特殊工藝制造集成電路,具有集成度高、成本低、傳輸帶寬高等特點(diǎn)。在尺寸、速率、功耗等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),其工藝與硅基微電子芯片基礎(chǔ)工藝兼容,可以與硅基微電子實(shí)現(xiàn)光電子3D集成芯片。

硅光芯片可通過硅晶圓技術(shù)實(shí)現(xiàn)高密度集成(來源:英特爾)

事實(shí)上,早在上世紀(jì)七十年代,就有科學(xué)家開始在硅基材料上研究光子學(xué)。在2000年左右,硅光子技術(shù)開始進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域,隨后在通信、計(jì)算等領(lǐng)域得到小范圍的應(yīng)用。此前,也有多家科技巨頭曾研發(fā)過硅光芯片相關(guān)的產(chǎn)品,但大多數(shù)沒有實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用。

據(jù)了解,華為曾經(jīng)投入大量資源研發(fā)硅光芯片,在2018年首次展示了硅光子芯片的樣品,并申請(qǐng)了相關(guān)專利。然而,華為在硅光芯片領(lǐng)域的研發(fā)進(jìn)展緩慢,并且最終沒有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。谷歌在2015年曾宣布成功研發(fā)出硅光芯片,并展示了其高速數(shù)據(jù)傳輸和處理的能力。然而,在隨后的幾年里,谷歌并未公開宣布任何關(guān)于硅光芯片技術(shù)的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

中國(guó)科學(xué)院微電子研究所研究員、硅光平臺(tái)負(fù)責(zé)人李志華向《中國(guó)電子報(bào)》記者表示,市場(chǎng)規(guī)模較小是阻礙硅光芯片發(fā)展的一大因素。硅光芯片的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在數(shù)據(jù)中心和長(zhǎng)距離通信等高端市場(chǎng)。在AI市場(chǎng)爆發(fā)之前,這些市場(chǎng)的需求相對(duì)有限,這也限制了硅光芯片的發(fā)展。外加彼時(shí)芯片制程的發(fā)展還暫未趨于物理極限,人們熱衷于通過縮小芯片制程來提升芯片的性能,而非通過硅光子技術(shù)提升芯片性能。這也導(dǎo)致了硅光子在此前的發(fā)展不及預(yù)期。

從“幕后”走向“臺(tái)前”

如今,硅光芯片再次迎來“春天”,甚至此次還傳出了臺(tái)積電將在2025年大規(guī)模量產(chǎn)硅光芯片技術(shù)的消息。這項(xiàng)技術(shù)開始慢慢從“幕后”走向了“臺(tái)前”。

這是由于,當(dāng)前AI技術(shù)的快速發(fā)展帶來數(shù)據(jù)處理和傳輸需求增長(zhǎng),硅光芯片正是一種能實(shí)現(xiàn)高效、快速、低成本處理和傳輸大量數(shù)據(jù)的技術(shù)。此外,隨著芯片制程逐漸趨于物理極限,“超越摩爾技術(shù)”的概念也隨之被提出。由于光子芯片對(duì)工藝節(jié)點(diǎn)的要求不如電子芯片那樣嚴(yán)苛,降低了對(duì)先進(jìn)制程的依賴。因此,硅光芯片在一定程度上緩解了當(dāng)前芯片發(fā)展的瓶頸問題,也成為了“超越摩爾技術(shù)”的關(guān)鍵一員。

“硅光芯片并非取代傳統(tǒng)的集成電路技術(shù),而是在后摩爾時(shí)代,幫助集成電路擴(kuò)充其技術(shù)功能。此外,由于硅光芯片是基于硅晶圓開發(fā)出的光子集成芯片,因此硅光芯片所需的制造設(shè)備和技術(shù)與傳統(tǒng)集成電路基本一致,技術(shù)遷移成本較低,這也成為了硅光芯片得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。”李志華說。

基于此,硅光芯片也有了更多的市場(chǎng)需求。國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(SEMI)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,2030年全球硅光子學(xué)半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到78.6億美元,預(yù)計(jì)復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)到25.7%。

數(shù)據(jù)來源:SEMI

與此同時(shí),硅光芯片也成為全球芯片巨頭競(jìng)爭(zhēng)的另一關(guān)鍵賽道。

臺(tái)積電此前在硅光芯片領(lǐng)域主推名為COUPE(緊湊型通用光子引擎)的封裝技術(shù),其最大的特點(diǎn)是可以降低功耗、提升帶寬。有消息稱,臺(tái)積電計(jì)劃將該技術(shù)用于與英偉達(dá)的合作項(xiàng)目中,嘗試用該技術(shù)將多個(gè)英偉達(dá)GPU進(jìn)行組合。此外,若此次臺(tái)積電能如愿與博通、英偉達(dá)等大客戶共同開發(fā)硅光芯片技術(shù),也將會(huì)集合各方的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和資源,推動(dòng)硅光芯片的大規(guī)模量產(chǎn)。

另一芯片巨頭英特爾也致力于發(fā)展硅光芯片技術(shù)。例如,英特爾提出的光電共封裝解決方案使用了密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù),能夠在增加光子芯片帶寬的同時(shí)縮小尺寸。英特爾還提出可插拔式光電共封裝方案,該方案是利用光互連技術(shù),讓芯片間的帶寬達(dá)到更高水平。同時(shí),英特爾還在研發(fā)八波長(zhǎng)分布式反饋激光器陣列,以提升大型CMOS晶圓廠激光器制造能力,實(shí)現(xiàn)光互連芯粒技術(shù)。

英特爾研究院研發(fā)的8個(gè)微環(huán)調(diào)制器和光波導(dǎo)(來源:英特爾)

制造良率成最大阻礙

盡管硅光芯片已經(jīng)迎來從“幕后”走到“臺(tái)前”的轉(zhuǎn)折點(diǎn),但是,這一次,臺(tái)積電能否攜手科技巨頭成功實(shí)現(xiàn)硅光芯片的量產(chǎn)并再次迎來“春天”,還需要看制造良率問題能否得到有效解決。

李志華介紹,在相同的工藝節(jié)點(diǎn)下,硅光芯片對(duì)工藝精度的要求比純電子芯片要高很多。純電子芯片通常使用金屬導(dǎo)線作為傳輸介質(zhì),這些導(dǎo)線具有高導(dǎo)電性和高導(dǎo)熱性,可以有效地傳輸信號(hào)并散熱。雖然金屬導(dǎo)線也有表面粗糙的情況,但由于其導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性較好,因此對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懴鄬?duì)較小。

然而硅光芯片中的微波導(dǎo)主要傳輸光子,而光子具有波動(dòng)性,易受到電磁場(chǎng)的影響。當(dāng)微波導(dǎo)的邊緣存在不平整或凸起時(shí),可能會(huì)引發(fā)電磁場(chǎng)的不連續(xù)性,導(dǎo)致信號(hào)散射和能量損失。另外,光器件的性能對(duì)加工精度也十分敏感,微小的工藝誤差可能導(dǎo)致器件性能的嚴(yán)重劣化,因此,硅光芯片對(duì)工藝精度更加嚴(yán)苛,導(dǎo)致硅光芯片良率降低。

若想有效解決硅光芯片的良率問題,并保證微波導(dǎo)的高性能傳輸,需要針對(duì)性地優(yōu)化硅光制造工藝,以實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)邊緣的平滑和提高光器件加工精度,從而提高信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量,保障光器件的性能和可靠性。

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