IMEC | 突破连接壁垒：高性能计算中的硅基光电子技术进展

逍遥设计自动化

引言
+ s2 M1 @7 Q  I8 q( D; Y! K高性能计算（HPC）正在快速发展，CPU和GPU的性能大约每两年翻一番。然而，这一进展正面临着一个重大挑战：连接壁垒。正如imec光I/O项目经理Filippo Ferraro指出的，每两年计算能力增加三倍，而互连带宽仅提高1.4倍。这种日益扩大的差距意味着数据传输路径，而非原始计算能力，正逐渐成为整体系统性能的限制因素[1]。

9 @2 U$ j* U4 O5 B! {/ |

sbfwiybr5o364082443914.png

5 b0 E6 e+ z9 o. G图1：imec光学I/O项目经理Filippo Ferraro。
4 S" W& O7 b2 z6 p
为了解决这一连接瓶颈，研究人员和科技公司正转向硅基光电子作为潜在解决方案。imec正处于这一努力的前沿，开发一系列硅基光电子技术以支持当前和未来几代HPC系统。
* U4 W% o& v2 ^
硅基光电子的现状
& R0 c4 J' P" r% Wimec目前的硅基光电子技术能够支持800Gbit/s和1.6Tbit/s（800G和1.6T）可插拔光学模块。这种性能水平足以满足当前系统的需求，预计还能支持下一代HPC。该技术利用了多种组件，包括：
0 B& B$ m, Y: n- e" S

高密度硅波导

光栅耦合器

边缘耦合器（用于光的输入/输出）

锗光电探测器

各种类型的调制器
* S- f; y: m8 l8 A+ n' B  `( N
这些组件协同工作，将电信号转换为光信号并向这些信号添加信息，实现高速数据传输。
% I' R: p( A& Y, }5 S' r- `$ w
未来的挑战和解决方案
当前的硅基光电子技术满足了即时需求，但imec的研究人员认为，在下一代HPC之后可能不足以满足需求。为了继续突破连接的界限，研究人员正在探索不同的材料和3D集成技术。
" L# E1 m- G; J* l+ t
" L3 Z$ `6 }. ~. o* b混合硅基光电子
8 i4 k9 @' @( `通过混合硅基光电子，imec研究人员认为可以实现高达3.2T的可插拔光学模块。通过先进的异质结合技术可以实现进一步的改进。然而，要实现下一代可插拔光学收发器，需要两个关键的进展：

将通道速率从100或200 Gbits/s提高到400 Gbits/s

将能耗从20 pJ/bit降低到10 pJ/bit
1 r9 S# B  b: ]5 r" U2 ]2 W[/ol]
- f9 @; Z( Y, M# D铌酸锂调制器
实现这些目标的一个有望的途径是使用铌酸锂调制器。imec光学I/O项目总监Joris Van Campenhout解释说，基于硅的调制器无法在可接受的光损耗下扩展到所需的带宽。相反，铌酸锂调制器已经展示了远超100 GHz的调制带宽，这对支持高达400 Gbits/s的通道速率是必要的。

u22r5yrnxw464082444014.png

图2：imec光学I/O项目总监Joris Van Campenhout。
9 C2 e* s9 Y& ?+ h6 h
# \" Y. l* P4 y% M) [铌酸锂面临的挑战在于将其与硅基光电子晶圆集成。作为CMOS制造中的高污染材料，必须特别注意尽可能晚地在制造过程中添加。imec的研究人员正在探索微转移印刷技术(MTP)，这是在根特大学开发的一种技术，作为潜在的解决方案。允许在晶圆上单独准备铌酸锂模块器件，然后以可扩展、快速和可靠的方式转移到硅基光电子晶圆上。

9 {5 j+ N4 q- \5 N光电共封装：范式转变
虽然可插拔光学在业界已经获得了牵引力，但在从主机IC到光学模块运行的通道数量方面面临限制。此外，长距离运行的电气通道会遭受损耗和干扰，影响信号质量并增加能耗。

为了解决这些问题，研究人员正在探索光电共封装作为替代方法。这种方法涉及在制造阶段将光学模块放置在主机IC或XPU旁边。虽然这种方法降低了灵活性，但提供了几个优势：

显著减少电气走线长度（从厘米级到毫米级甚至微米级）

降低RF损耗和功耗

由于RF损耗降低，能够添加更多通道

更高的互连密度

支持波长分复用，减少所需光纤量

  ~  M1 D9 y3 Y+ U光电共封装需要先进的3D封装技术，这是imec已经在电子组件领域开发的专业知识。
3 }7 T, l6 f0 P
- I6 |: e# v% W/ D$ n- I

zxp0luuenyh64082444115.png

8 ]: @, M+ _; Q$ m% y" E% G图3：imec 的晶圆级CPO

$ u3 Q5 I; @& j2 O

v3b4hi55qak64082444215.png

图4：imec 的interposer以及晶圆级光互连

未来的道路
+ k6 ^. d8 v" p( H2 v与整个半导体市场相比，硅基光电子市场仍然相对较小，但正在增长。主要晶圆厂最近的公告引发了对快速扩展光连接的兴趣和需求增加。

imec计划继续专注于技术开发，以扩展可插拔和光电共封装光学。其努力分为两个方面：

通过在远后端添加新材料来延长现有硅基光电子平台的寿命，以实现更高的通道速率

利用为电子开发的先进3D封装技术，深度集成光电共封装
[/ol]
' X- f5 R% Q9 t4 Q% V+ h这些并行的活动流预计将在未来几年及以后满足行业的需求，帮助突破连接壁垒，实现下一代高性能计算系统。

5 J: M1 Y( A" W) I7 L; U參考來源
2 X1 f: H6 Y% I' d* M[1] P. Brans, "Imec: Breaking Connectivity Wall with Silicon Photonics and More," EE Times Europe, Sep. 6, 2024. [Online]. Available: https://www.eetimes.eu/imec-breaking-connectivity-wall-with-silicon-photonics-and-more/ [Accessed: Oct. 7, 2024].
; Q1 Y# R5 F) N( e
3 y0 \2 N0 y2 `; o; f! Q- END -

软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
点击左下角"阅读原文"马上申请

; p. V  Q" P1 M" x# y" I欢迎转载

. C8 l9 V. _1 N8 _' \* |" R转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！

' N# u0 f* f" l+ x8 }+ H$ \
; j2 ^+ h4 I5 ]/ s2 {3 f
* M/ P/ z$ d! N& E0 Y/ L

esn3jqzr2sv64082444315.gif

* K7 p) E5 U/ m3 p
, f; ~1 v  _- Y. X关注我们

9 r$ T# F/ j3 N/ O: d 1eictbnicdl64082444415.png 7 E- m  t2 \8 F6 j& u* E! n

42bmfd0sits64082444516.png 6 z: A& G8 g6 o  Z; k

l0tmp2t1e3r64082444616.png

                     
5 h0 ?& P5 D4 B: U( f) P3 L% W


关于我们：
$ r: O  h- H1 U* r/ D9 v深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。

4 @' M. l( S' v1 m3 X2 m6 ^' Mhttp://www.latitudeda.com/
（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）