乐鱼app官方网站-硅光芯片的春天又要来了?

发布者:乐鱼app官方网站 发布时间:2024-02-13

来源:中国电子报

近日,记者了解到,台积电将携手博通、英伟达等大客户共同开发硅光子技术、光学共封装(co-packaged optics,CPO)等新产品,该技术适用于45nm到7nm的芯片制程,预计最快明年下半年迎来大单,并在2025年左右达到量产阶段。

这一次,硅光芯片的春天又要来了?

硅光芯片曾经发展不及预期

硅光芯片是一种基于硅晶圆开发出的光子集成芯片,它利用硅光材料和器件通过特殊工艺制造集成电路,具有集成度高、成本低、传输带宽高等特点。在尺寸、速率、功耗等方面具有独特优势,其工艺与硅基微电子芯片基础工艺兼容,可以与硅基微电子实现光电子3D集成芯片。

image.png

硅光芯片可通过硅晶圆技术实现高密度集成(来源:英特尔)

事实上,早在上世纪七十年代,就有科学家开始在硅基材料上研究光子学。在2000年左右,硅光子技术开始进入商业应用领域,随后在通信、计算等领域得到小范围的应用。此前,也有多家科技巨头曾研发过硅光芯片相关的产品,但大多数没有实现规模应用。

据了解,华为曾经投入大量资源研发硅光芯片,在2018年首次展示了硅光子芯片的样品,并申请了相关专利。然而,华为在硅光芯片领域的研发进展缓慢,并且最终没有实现大规模商业应用。谷歌在2015年曾宣布成功研发出硅光芯片,并展示了其高速数据传输和处理的能力。然而,在随后的几年里,谷歌并未公开宣布任何关于硅光芯片技术的实质性进展。

中国科学院微电子研究所研究员、硅光平台负责人李志华向《中国电子报》记者表示,市场规模较小是阻碍硅光芯片发展的一大因素。硅光芯片的应用领域主要集中在数据中心和长距离通信等高端市场。在AI市场爆发之前,这些市场的需求相对有限,这也限制了硅光芯片的发展。外加彼时芯片制程的发展还暂未趋于物理极限,人们热衷于通过缩小芯片制程来提升芯片的性能,而非通过硅光子技术提升芯片性能。这也导致了硅光子在此前的发展不及预期。

从“幕后”走向“台前”

如今,硅光芯片再次迎来“春天”,甚至此次还传出了台积电将在2025年大规模量产硅光芯片技术的消息。这项技术开始慢慢从“幕后”走向了“台前”。

这是由于,当前AI技术的快速发展带来数据处理和传输需求增长,硅光芯片正是一种能实现高效、快速、低成本处理和传输大量数据的技术。此外,随着芯片制程逐渐趋于物理极限,“超越摩尔技术”的概念也随之被提出。由于光子芯片对工艺节点的要求不如电子芯片那样严苛,降低了对先进制程的依赖。因此,硅光芯片在一定程度上缓解了当前芯片发展的瓶颈问题,也成为了“超越摩尔技术”的关键一员。

“硅光芯片并非取代传统的集成电路技术,而是在后摩尔时代,帮助集成电路扩充其技术功能。此外,由于硅光芯片是基于硅晶圆开发出的光子集成芯片,因此硅光芯片所需的制造设备和技术与传统集成电路基本一致,技术迁移成本较低,这也成为了硅光芯片得天独厚的优势。”李志华说。

基于此,硅光芯片也有了更多的市场需求。国际半导体产业协会(SEMI)预测数据显示,2030年全球硅光子学半导体市场规模预计将达到78.6亿美元,预计复合年增长率将达到25.7%。

image.png

数据来源:SEMI

与此同时,硅光芯片也成为全球芯片巨头竞争的另一关键赛道。

台积电此前在硅光芯片领域主推名为COUPE(紧凑型通用光子引擎)的封装技术,其最大的特点是可以降低功耗、提升带宽。有消息称,台积电计划将该技术用于与英伟达的合作项目中,尝试用该技术将多个英伟达GPU进行组合。此外,若此次台积电能如愿与博通、英伟达等大客户共同开发硅光芯片技术,也将会集合各方的技术优势和资源,推动硅光芯片的大规模量产。

另一芯片巨头英特尔也致力于发展硅光芯片技术。例如,英特尔提出的光电共封装解决方案使用了密集波分复用(DWDM)技术,能够在增加光子芯片带宽的同时缩小尺寸。英特尔还提出可插拔式光电共封装方案,该方案是利用光互连技术,让芯片间的带宽达到更高水平。同时,英特尔还在研发八波长分布式反馈激光器阵列,以提升大型CMOS晶圆厂激光器制造能力,实现光互连芯粒技术。

image.png

英特尔研究院研发的8个微环调制器和光波导(来源:英特尔)

制造良率成最大阻碍

尽管硅光芯片已经迎来从“幕后”走到“台前”的转折点,但是,这一次,台积电能否携手科技巨头成功实现硅光芯片的量产并再次迎来“春天”,还需要看制造良率问题能否得到有效解决。

李志华介绍,在相同的工艺节点下,硅光芯片对工艺精度的要求比纯电子芯片要高很多。纯电子芯片通常使用金属导线作为传输介质,这些导线具有高导电性和高导热性,可以有效地传输信号并散热。虽然金属导线也有表面粗糙的情况,但由于其导电性和导热性较好,因此对信号传输的影响相对较小。

然而硅光芯片中的微波导主要传输光子,而光子具有波动性,易受到电磁场的影响。当微波导的边缘存在不平整或凸起时,可能会引发电磁场的不连续性,导致信号散射和能量损失。另外,光器件的性能对加工精度也十分敏感,微小的工艺误差可能导致器件性能的严重劣化,因此,硅光芯片对工艺精度更加严苛,导致硅光芯片良率降低。

若想有效解决硅光芯片的良率问题,并保证微波导的高性能传输,需要针对性地优化硅光制造工艺,以实现波导边缘的平滑和提高光器件加工精度,从而提高信号传输的质量,保障光器件的性能和可靠性。

【近期会议】

10月17日14:00,即将举办“高可靠性GaN功率器件推动太阳能、DC/DC转换和电机驱动的创新应用”主题会议,诚邀您踊跃参与云上知识盛宴:https://w.lwc.cn/s/7r6jea

11月1日-2日,雅时国际商讯联合太仓市科学技术局即将举办“2023化合物半导体先进技术及应用大会”。诚邀您相聚江苏太仓,筑创产业新未来。听众注册:https://w.lwc.cn/s/yqMZ7f