突破@@，每@@秒@@200 Gbps的@@光@@收发器@@@@

judy — Mon, 16 Oct 2023 06:47:07 +0000

本文转载自@@@@：内容由半导体行业观察@@（ID：icbank）编译自@@@@imec，谢谢@@。

在@@早前于格拉斯哥举行的@@欧洲光@@通信会议@@ (ECOC) 上@@，比利时根特大学@@ IMEC 研究小组@@ IDLab 的@@一组研究人员展示了@@一种光@@接收器@@，可实现总数据速率为@@ 200 Gbps。他们的@@方法结合了@@ SiGe BiCMOS 行波电子集成@@电路和@@硅光@@子@@锗光@@电探测器@@，不仅提供了速度@@，而且还提供了可扩展性@@，这是@@我们想要满足爆炸性数据速率需求的@@两个@@先决条件@@。

从人工智能到云计算和@@@@5G：数据密集型应用正在@@进入不同行业和@@我们日常生活的@@许多方面@@。为了满足当今@@，尤其是@@未来@@的@@数据处理需求@@，数据中心将需要以@@越来越高@@的@@速度运行的@@光@@通信网@@络@@。

“目前@@，性能最高@@的@@光@@数据通信收发器@@运行速度高@@达@@ 800 Gbps，例如@@使用@@ 8 x 100 Gbps 通道@@，但该领域正在@@设想将通道@@容量加倍至@@ 200 Gbps，以@@降低收发器@@的@@复杂性@@、成本和@@功耗@@，同时改进@@imec IDLab 高@@速收发器@@项目@@经理兼根特大学教授@@Peter Ossieur说@@道@@。

Ossieur 领导着一个@@研究团队致力于光@@子学应用的@@高@@速集成@@电路@@。他的@@团队现已通过将行波@@ SiGe BiCMOS 跨阻放大器与@@硅光@@子@@@@ Ge 光@@电探测器联合集成@@@@，实现了@@ 200 Gbps 的@@总数据速率@@。

除了速度之外@@，主流@@ SiGe BiCMOS 的@@使用使该技术更具可扩展性@@，因此价格也更实惠@@。“达到这种速度的@@替代方案是@@@@ InP 电子技术@@，这是@@一种更昂贵且可扩展性较差的@@技术@@@@，”Ossieur 说@@。“SiGe BiCMOS 使我们能够集成@@更多功能@@，并且芯片的@@生产量也可以@@更高@@@@。”

如果光@@收发器@@要跟上@@爆炸性的@@数据速率@@，所有构建模块都需要处理更高@@的@@速度@@。该团队展示了@@他们在@@使用来自@@@@imec集成@@硅光@@子@@平台@@（iSiPP）的@@硅光@@子@@@@Ge光@@电探测器的@@设置中取得的@@成果@@，该探测器针对电信@@、数据通信和@@医疗诊断行业@@。

imec 研究员兼光@@学@@ I/O 项目@@总监@@ Joris Van Campenhout 表示@@：“新型光@@学接收器代表了@@imec 为满足@@ 200Gbps 及以@@上@@应用要求的@@硅光@@子@@@@平台@@做好准备而采取的@@众多步骤之一@@：

“这些最新结果代表了又一个@@数据点@@，展示了@@imec的@@硅光@@子@@@@平台@@（iSiPP）以@@200Gbps通道@@速率运行的@@能力@@，这是@@即将推出的@@可插拔和@@联合封装光@@学器件的@@关键要求@@。”。

该工作得到了欧盟@@ Horizon 2020 项目@@ POETICS（编号@@ 871769）和@@ NEBULA（编号@@ 871658）的@@支持@@，并将在@@欧洲光@@通信会议上@@展示@@。

硅光@@子@@，将扮演重要角色@@

光@@能够以@@相对较低的@@功耗传播高@@数据速率@@，是@@一种极好的@@信息载体@@。几十年@@来@@，硅一直是@@半导体技术的@@基石@@。把这两者结合在@@一起只是@@时间问题@@：一种利用光@@能的@@技术@@@@，使用将微电子技术@@推向高@@峰的@@同一平台@@。毕竟@@，既然已经投入了数十亿@@美元@@来完善用于制造微电子的@@材料和@@工艺@@，为什么还要重新发明轮子呢@@？

于是@@硅光@@子@@学诞生了@@。首次探索于@@ 1980 年@@代@@，并在@@世纪之交开始获得动力@@，到现在@@为止@@，该技术已实现批量商业化@@。事实证明@@，它在@@数据中心越来越受欢迎@@，其中基于硅光@@子@@学的@@收发器@@支持服务器之间的@@光@@学连接@@。

随着@@世界对数据的@@渴望与@@日俱增@@，以@@及对降低能源消耗的@@渴望@@，该技术有望在@@未来@@十年@@内迅速发展@@。市场研究机构@@ Yole Group 预计@@，2021 年@@至@@ 2027 年@@，硅光@@子@@市场的@@复合年@@增长率@@ (CAGR) 将达到@@ 36%，届时将达到@@近@@ 10 亿@@美元@@。

Imec 开发的@@混合@@ CMOS-硅光@@子@@收发器@@原型@@

虽然这种增长的@@主要驱动力是@@数据中心内的@@通信@@，但预计@@新兴应用程序将不断涌现@@。硅可能会用于距离越来越短的@@数据交换@@，并最终用于同一系统中芯片之间的@@数据交换@@。该技术也正在@@作为汽车激光@@雷达的@@基础平台运行@@，允许自@@动驾驶汽车在@@道路上@@行驶@@，或者至少帮助司机避免碰撞@@。

“硅光@@子@@是@@在@@@@ 300mm 标准半导体晶圆厂生产的@@@@。这意味着它可以@@通过严格的@@规格和@@质量控制以@@及可靠的@@物流进行生产@@。这抵消了它的@@一些局限性@@，并使其成为与@@激光@@等其他技术相结合的@@有吸引力的@@基准@@，”Photondelta 首席技术官@@ Carol de Vries 解释道@@。他补充说@@@@，初步的@@市场预测表明@@，硅光@@子@@无论是@@单独使用还是@@与@@其他集成@@光@@子学平台结合使用@@，都将继续存在@@@@。“预计@@到@@ 2040 年@@，它的@@市场份额将达到@@@@ 45%。”

传统上@@@@，硅光@@子@@ (SiPh) 被理解为基于主导常规电子电路的@@材料的@@集成@@光@@子学@@：硅和@@氧化硅@@（二氧化硅@@）。在@@科学文献中@@，这种类型的@@集成@@光@@子学通常称为绝缘体上@@硅@@ (SOI)，该术语也用于特种半导体技术@@。

从这个@@严格意义上@@讲@@，SOI 可能是@@三成员集成@@光@@子学家族中最有限的@@技术@@@@，该家族还包括@@基于氮化硅@@(SiN) 和@@磷化铟@@(InP) 的@@技术@@。由于其间接带隙@@，硅无法产生增益或激光@@@@，即该材料不能用于构建有源@@188足彩外围@@app ，例如@@光@@源和@@放大器@@。SiN 也是@@@@如此@@，但这种材料比@@ SOI 具有更低的@@光@@损失和@@更宽的@@光@@谱覆盖范围@@。

InP 是@@唯一可以@@在@@没有外部帮助的@@情况下执行所有功能的@@半导体@@，但在@@损耗和@@光@@谱覆盖方面也有@@ SOI 的@@缺点@@。如果仅作为光@@源@@，Si 和@@ SiN 平台通常都依赖于与@@@@ InP 的@@某种形式的@@集成@@@@。最好的@@方法是@@特定于应用程序@@。

当然@@，SOI 的@@特性足以@@满足许多有趣的@@应用@@。光@@可以@@有效地进出芯片@@，并且可以@@使用重要的@@无源@@188足彩外围@@app ，例如@@千兆赫级调制器和@@光@@电探测器@@。除此之外@@，还可以@@利用数十年@@的@@@@硅加工经验@@——300 毫米晶圆@@、高@@良率@@、与@@ CMOS 的@@协同集成@@@@、各种先进的@@@@ 3D 集成@@技术@@——硅光@@子@@的@@发展空间很大@@。

然而@@，越来越多的@@人将@@ SiPh 解释为可以@@在@@@@ CMOS 晶圆厂中制造的@@任何类型的@@集成@@光@@子@@。在@@那种情况下@@，SiPh 和@@ SiN 变成一个@@单一的@@实体@@，因为后者也与@@@@ CMOS 兼容@@。但有一个@@警告@@，Imec 硅光@@子@@研究员@@ Joris Van Campenhout 解释说@@@@。“制造具有极低光@@损失的@@高@@端@@ SiN 波导需要高@@热预算@@。这可能与@@共同集成@@其他功能不兼容@@@@。”

保持@@ CMOS 兼容@@性通常会受到限制@@。Van Campenhout指出@@：“CMOS 制造环境受到严格控制@@。某些材料是@@被禁止的@@@@，包括@@ InP 和@@其他@@ III-V 族半导体@@。” 另一方面@@，CMOS 的@@戒律并非一成不变@@。在@@过去的@@几十年@@里@@，晶圆厂引入了几种新材料来保持@@摩尔定律的@@运行@@。“如果你有强大的@@商业案例@@，一切皆有可能@@。然而@@，目前@@还没有任何集成@@光@@子学应用程序能够产生能够保证主流@@晶圆厂进行此类调整的@@体积@@。”

然而@@，Van Campenhout 指出@@，未来@@的@@用例需要@@ SiPh 引入新材料@@，以@@不断改进性能和@@成本@@。例如@@，随着@@数据中心收发器@@中的@@信号速率超过@@ 200 Gb/s，实现足够的@@调制器带宽和@@可接受的@@光@@损失变得具有挑战性@@。这些障碍只能通过在@@混合物中引入新材料@@来消除@@。“用新材料和@@新功能丰富@@ SiPh，同时保持@@最大的@@@@ CMOS 兼容@@性是@@一个@@很好的@@机会@@。”

通过在@@前端处理环境之外@@（即后端生产线@@）集成@@“禁用@@”材料或包含这些材料的@@组件@@，可以@@在@@遵守@@ CMOS 规则的@@同时引入新材料@@@@。“今天@@，尚不清楚什么是@@最合适的@@整合水平@@，以@@及何时会大规模发生@@。除了数据和@@电信@@，应用研究仍处于起步阶段@@。您需要集成@@哪些功能@@？需要什么规格@@？对于广泛的@@应用@@，这些是@@我们仍然无法回答的@@问题@@。尽管如此@@，我认为可以@@公平地说@@@@，随着@@ SiPh 获得关注@@、商业模式稳固和@@市场拉动增加@@，界限将证明不会像以@@前想象的@@那么难@@。”

带有倒装@@ InP 激光@@二极管的@@@@ 300 毫米硅光@@子@@晶圆@@

从历史上@@看@@，光@@通信链路变得越来越短@@，从连接大陆到家庭和@@办公室再到数据中心内的@@服务器@@。它们会变得更短@@，在@@ 1-10 厘米范围内@@，因为芯片之间的@@电气连接开始失去动力@@。

目前@@，这个@@问题在@@高@@性能计算应用的@@高@@端最为紧迫@@。例如@@，Nvidia 的@@“一体机数据中心@@”结合了八个@@强大的@@@@ GPU 和@@大量内存来处理要求苛刻的@@机器学习和@@数据科学工作负载@@。该系统的@@性能取决于处理器和@@内存能否快速有效地交换数据@@。Van Campenhout 估计@@，根据当前的@@电气互连速度@@，它们将在@@两代或三代后成为瓶颈@@。

Van Campenhout 自@@ 2014 年@@以@@来一直担任@@ Imec 光@@ I/O 研发项目@@的@@主管@@。在@@过去的@@十年@@中@@，他的@@研究重点倾向于数据通信和@@电信应用@@，但最近@@，行业对短距离光@@互连的@@兴趣急剧增加@@，他说@@@@. “许多公司@@，包括@@几家资本充足的@@初创公司@@，都在@@寻求积极部署深度集成@@的@@短距离光@@互连@@，以@@提高@@其高@@性能计算系统的@@性能@@。”

除了其位于鲁汶总部的@@光@@学@@ I/O 研发计划和@@@@ SiPh/SiN 原型设计服务之外@@，Imec 还在@@荷兰启动了一系列面向应用的@@硅光@@子@@@@活动@@。该合作由国家增长基金共同出资@@，并与@@@@ TNO 和@@ Photondelta 生态系统的@@其他合作伙伴合作@@，将重点关注埃因霍温霍尔斯特中心的@@激光@@雷达和@@激光@@设计以@@及瓦赫宁根@@ Oneplanet 的@@农业食品应用@@。

“看到荷兰经济部与@@国家增长基金@@ Photondelta 的@@投资真是@@太棒了@@。这种财务冲动至关重要@@，因为该行业在@@全球范围内都处于投资阶段@@。此外@@，这些资助机制也促进了合作@@。

Photondelta 提供了一个@@极好的@@机会来加强霍尔斯特中心内部与@@本地合作伙伴和@@跨境合作@@，”Imec 研发副总裁兼霍尔斯特中心@@ Imec 总经理@@ Kathleen Philips 评论道@@。

“在@@ Imec NL，我们专注于设计更完整的@@光@@子系统@@，包括@@电子和@@算法@@。我们不仅在@@构建块上@@进行创新@@，还特别致力于通过连接各个@@学科来创建差异化的@@@@ IP。应用领域是@@农业食品和@@健康@@，以@@及数据通信和@@汽车激光@@雷达@@。此外@@，霍尔斯特中心的@@新系统设计活动在@@我们在@@比利时的@@长期光@@子技术活动与@@在@@海尔德兰@@ Oneplanet 的@@光@@子应用研究之间架起了一座桥梁@@。”

未来@@，这项技术可能会渗透到更通用的@@应用程序中@@。例如@@，领先的@@芯片制造商非常重视将他们的@@芯片@@“划分@@”成多个@@@@ IC，每@@个@@@@ IC 都有专门的@@功能@@（CPU、I/O、高@@速缓存等@@）。特别是@@在@@这种情况下相对较长的@@距离@@，铜线可能无法胜任这些小芯片的@@互连工作@@。

这将需要进一步提高@@带宽和@@功率效率@@。在@@ Imec 的@@路线图中@@，目标是@@每@@两年@@将光@@学子系统的@@带宽加倍并将每@@比特功率减半@@。正如@@ Van Campenhout 已经解释的@@那样@@，这将需要引入可能@@“破坏@@”CMOS 兼容@@性的@@新材料@@。但是@@@@，如果有一个@@商业案例可以@@应对这一挑战@@，那么它很可能是@@芯片间光@@互连@@。“这将是@@一段激动人心的@@旅程@@，”Van Campenhout 说@@。

参考链接@@：https://www.imec-int.com/en/press/200-gigabits-second

IMEC：2022年@@晶体管@@规模已经达到@@1000亿@@个@@@@

judy — Mon, 06 Jun 2022 08:38:54 +0000

在@@半导体行业@@，Intel联合创始人戈登@@·摩尔在@@@@1965年@@提出的@@摩尔定律被公认为金科玉律@@，每@@2年@@晶体管@@翻倍的@@说@@法指导者半导体芯片的@@发展@@，尽管最近十几年@@来也有说@@法认为已经过时了@@，但是@@@@它实际上@@执行得还不错@@。

比利时微电子中心@@IMEC公布了一张很有趣的@@路线图@@，对比了@@1970年@@到现在@@@@2022年@@的@@@@52年@@间中@@，处理器芯片的@@晶体管@@密度变化@@，当年@@的@@@@水平只有@@1000个@@晶体管@@@@，要知道@@Intel在@@1971年@@推出人类首个@@微处理器@@4004时也不过@@@@2300个@@晶体管@@@@。

现在@@到了@@2022年@@，晶体管@@规模已经达到了@@1000亿@@个@@@@，苹果的@@@@M1 Ultra芯片做到了@@1140亿@@晶体管@@@@，是@@52年@@前的@@@@1亿@@倍了@@。

1000亿@@晶体管@@@@的@@芯片也不会是@@终点@@，实际上@@苹果@@M1 Ultra也不是@@唯一的@@千亿@@芯片怪物了@@，Intel的@@加速卡@@Ponte Vecchio也实现@@1000亿@@+晶体管@@了@@，不过@@Ponte Vecchio是@@由多个@@芯片组成的@@@@@@，M1 Ultra其实也不是@@单一芯片@@，也是@@@@2个@@M1 Max芯片组成的@@@@。

再往后@@，Intel等公司还有更宏大的@@目标@@，2030年@@将实现@@1万亿@@晶体管@@@@的@@创举@@，会通过先进工艺@@RibbonFET、高@@NA EUV光@@刻机@@、Foveros 3D封装等各种技术来实现@@，是@@现有芯片的@@@@10倍规模@@，挑战也非常大@@，大家拭目以@@待吧@@。

文章来源@@：快科技@@

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突破@@，每@@秒@@200 Gbps的@@光@@收发器@@@@

IMEC：2022年@@晶体管@@规模已经达到@@1000亿@@个@@@@