国内首款2Tb/s 3D集成硅光芯粒成功出样,华为、英伟达等巨头争相布局

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电子发烧友网报道(文/吴子鹏)日前,国家信息光电子创新中心(NOEIC)宣布取得重大进展:该机构和鹏城实验室的光电融合联合团队完成了2Tb/s硅光互连芯粒(chiplet)的研制和功能验证,在国内首次验证了3D硅基光电芯粒架构,实现了单片最高达8×256Gb/s的单向互连带宽。

英伟达

 

2Tb/s 硅基3D集成光发射芯粒(图源:国家信息光电子创新中心)

英伟达

 

2Tb/s 硅基3D集成光接收芯粒(图源:国家信息光电子创新中心)

 

据介绍,该团队在2021年1.6Tb/s 硅光互连芯片的基础上,进一步突破了光电协同设计仿真方法,研制出硅光配套的单路超200G driver和TIA芯片。同时还攻克了硅基光电三维堆叠封装工艺技术,形成了一整套基于硅光芯片的3D芯粒集成方案。

 

硅光芯片被寄予厚望

根据国家信息光电子创新中心的介绍,2Tb/s3D集成硅光芯粒成果将广泛应用于下一代算力系统和数据中心所需的CPO、NPO、LPO、LRO等各类光模块产品中,为国内信息光电子技术的率先突围探索出可行路径。

 

从产品类型来说,硅光器件可以分为三个层次:硅光基础器件、硅光芯片和硅光模块。其中,硅光基础器件便是用于传导和控制光的各种器件,包括光源、调制器、探测器、波导等;硅光芯片是利用硅的半导体特性,在芯片上形成波导结构,导引光子在芯片内部传播,实现方式是在硅基上直接蚀刻或集成调制器、接收器等器件,从而实现调制器、接收器、无源光学器件高度集成的芯片;硅光模块是指进一步将光源、硅光器件/芯片、外部驱动电路等集成到一个模块,包括光收发模块、光接收模块和光收发一体模块等。

 

硅光互连是利用互补金属氧化物半导体(COMS)或者SiGe BiCMOS工艺进行光器件开发和集成的新一代技术,其核心理念是用激光束代替电子信号进行数据传输。硅光芯片中的光器件可以分为有源器件和无源器件。有源器件包括激光器、调制器和光电探测器;无源器件包括平面波导、光栅或边缘耦合器等。

 

基于COMS工艺的硅光芯片是采用硅基材料和CMOS工艺生长而形成。由于采用了新型波导技术,这种工艺可以将电子和光子器件集成到单颗芯片中。基于COMS工艺的硅光芯片能够利用半导体在超大规模、微小制造和集成化上的成熟工艺,具有功耗低、集成度高和工艺成熟且先进的优势。

 

SiGe BiCMOS工艺集成技术,是在制造电路结构中的双极晶体管时,在硅基区材料中加入一定含量的锗,形成应变硅异质结构晶体管,以改善双极晶体管特性的一种硅基工艺集成技术。按照意法半导体的说法,BiCMOS可在单颗芯片上融合两种不同工艺技术的优势:双极晶体管可达到较高的速度和增益,满足高频模拟部分的要求,而CMOS技术则非常适合构成简单的低功耗门逻辑电路。

 

目前,基于COMS工艺的硅光芯片和基于SiGe BiCMOS工艺的硅光芯片算是并驾齐驱。通过这样的创新理念,硅光互连为数据中心传输带来了新的解决方案。在传统电信号传输中,存在严重的信号衰减和效率低等问题。英特尔曾在博文中表示,在一个数据中心内部电路上,如使用PCB进行传输,在两个芯片物理距离超过1米的情况下,接收端收到的信号强度仅为传输端的万分之一。而光模块的大带宽,不仅可降低能耗和发热,还能实现大容量光互连,提升数据传输的质量,有效解决网络拥堵和延迟等问题。

 

根据LightCounting的统计数据,2022年硅光子技术在每秒峰值速度、能耗、成本方面已经全面超越传统光模块,预计到2024年全球硅光系统中光模块市场市值将达65亿美金。当然,硅光芯片的优势不仅在传输方面,在计算层面也有巨大的潜力。对于国产芯片来说,硅光计算芯片是AI芯片国产化和弯道超车的有效途径。在计算过程中,光子器件具有高速、大带宽和低功耗的特点,使得光子计算可以更好地实现海量数据的高效处理,也可以避免电子信号传输带来的噪声和时延等问题。

 

芯片巨头和初创企业纷纷看好硅光芯片

由于硅光芯片在计算和连接方面体现出来的巨大优势,目前芯片产业无论是国际巨头还是初创企业,都纷纷涌入这一赛道,并且国内有很多科研机构也是重点研究硅光芯片。

 

就以国家信息光电子创新中心来说,该机构不仅研究硅光芯片,也研究硅光基础器件等其他类型。2023年12月,国家信息光电子创新中心宣布首款国产化110GHz电光调制器研制成功,具有超高带宽、超高速率、低啁啾、低驱动电压、高线性度等特性,可以广泛用于光通信、光互连、光计算、光电测试测量、微波光子等宽带光电子信息系统。

 

企业方面,国内华为研发硅光芯片的消息一直就没有断过,虽然没有太多关于华为硅光芯片产品方面的消息,不过华为海思在硅光、光通信等方面有大量的公开专利,海思也在招聘光芯片方面的人才。另外,赛微电子曾在公开平台上表示,该公司的角色是为华为(海思)提供硅光子芯片的代工服务,包括工艺开发和晶圆制造。

 

除了华为,国内像源杰科技、长光华芯、华工科技、中际旭创、新易盛、剑桥科技、罗博特科、光迅科技、仕佳光子等公司也都在积极布局硅光芯片。

 

在国际厂商方面,为了增强自己在数据中心和高性能计算领域的竞争力,英特尔在硅光芯片领域是非常活跃的。去年,英特尔曾在Hot CHIPS会议上展示一款代号“Piuma”的处理器。这颗芯片采用了7nm工艺,拥有8核528线程,搭载了具有1TB/s硅光子互连的技术。目前,在英特尔官网在售的硅光器件包括英特尔硅光子技术100G CWDM4 QSFP28光纤收发器、英特尔Silicon Photonics 400 G FR4 QSFP-DD光纤收发器等。

 

根据此前的媒体报道,台积电曾联合英伟达、博通等大客户共同开发硅光子技术、共同封装光学元件等新产品,制程技术从45nm延伸到7nm,最快今年下半年开始迎来大单,2025年有望迈入放量产出阶段。而英伟达和博通等公司各自在硅光芯片方面也投入了很大的力量。英伟达方面,该公司2022年与Ayar Labs合作开发带外激光器与硅光互连方案;IEEE ISSCC 2024上,英伟达Tom Gray博士发表了硅基光电子技术在AI数据中心基础设施中的应用和挑战专题演讲。

 

国际大厂投资硅光芯片的还有思科、Marvell、IBM等,另外硅光芯片赛道的初创企业也很活跃,包括AyarLabs、OpenLight、Lightmatter、Lightelligence、Dustphotonics等,这些公司也有很强的技术实力,比如Dustphotonics推出了业界首款800G硅光子芯片。

 

结语

硅光芯片已经在数据中心、通信、激光雷达、传感、高性能计算和人工智能等领域彰显出广阔的应用前景和产业化趋势。Yole的数据显示,预计2022年到2028年全球硅光子芯片市场规模将以44%的复合年增长率增长,其中数通光模块在硅光子芯片市场中占比将超过90%,并成为主要应用场景。


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