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    硅光芯片的春天又要來了?
    來源:互聯網   發布日期:2023-10-07 08:31:54   瀏覽:8857次  

    導讀:近日,記者了解到,臺積電將攜手博通、英偉達等大客戶共同開發硅光子技術、光學共封裝(co-packaged optics,CPO)等新產品,該技術適用于45nm到7nm的芯片制程,預計最快明年下半年迎來大單,并在2025年左右達到量產階段。 這一次,硅光芯片的春天又要來了?...

    硅光芯片的春天又要來了?

    近日,記者了解到,臺積電將攜手博通、英偉達等大客戶共同開發硅光子技術、光學共封裝(co-packaged optics,CPO)等新產品,該技術適用于45nm到7nm的芯片制程,預計最快明年下半年迎來大單,并在2025年左右達到量產階段。

    這一次,硅光芯片的春天又要來了?

    硅光芯片曾經發展不及預期

    硅光芯片是一種基于硅晶圓開發出的光子集成芯片,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。在尺寸、速率、功耗等方面具有獨特優勢,其工藝與硅基微電子芯片基礎工藝兼容,可以與硅基微電子實現光電子3D集成芯片。

    硅光芯片的春天又要來了?

    硅光芯片可通過硅晶圓技術實現高密度集成(來源:英特爾)

    事實上,早在上世紀七十年代,就有科學家開始在硅基材料上研究光子學。在2000年左右,硅光子技術開始進入商業應用領域,隨后在通信、計算等領域得到小范圍的應用。此前,也有多家科技巨頭曾研發過硅光芯片相關的產品,但大多數沒有實現規模應用。

    據了解,華為曾經投入大量資源研發硅光芯片,在2018年首次展示了硅光子芯片的樣品,并申請了相關專利。然而,華為在硅光芯片領域的研發進展緩慢,并且最終沒有實現大規模商業應用。谷歌在2015年曾宣布成功研發出硅光芯片,并展示了其高速數據傳輸和處理的能力。然而,在隨后的幾年里,谷歌并未公開宣布任何關于硅光芯片技術的實質性進展。

    中國科學院微電子研究所研究員、硅光平臺負責人李志華向《中國電子報》記者表示,市場規模較小是阻礙硅光芯片發展的一大因素。硅光芯片的應用領域主要集中在數據中心和長距離通信等高端市常在AI市場爆發之前,這些市場的需求相對有限,這也限制了硅光芯片的發展。外加彼時芯片制程的發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提升芯片性能。這也導致了硅光子在此前的發展不及預期。

    “幕后”走向“臺前”

    如今,硅光芯片再次迎來“春天”,甚至此次還傳出了臺積電將在2025年大規模量產硅光芯片技術的消息。這項技術開始慢慢從“幕后”走向了“臺前”。

    這是由于,當前AI技術的快速發展帶來數據處理和傳輸需求增長,硅光芯片正是一種能實現高效、快速、低成本處理和傳輸大量數據的技術。此外,隨著芯片制程逐漸趨于物理極限,“超越摩爾技術”的概念也隨之被提出。由于光子芯片對工藝節點的要求不如電子芯片那樣嚴苛,降低了對先進制程的依賴。因此,硅光芯片在一定程度上緩解了當前芯片發展的瓶頸問題,也成為了“超越摩爾技術”的關鍵一員。

    “硅光芯片并非取代傳統的集成電路技術,而是在后摩爾時代,幫助集成電路擴充其技術功能。此外,由于硅光芯片是基于硅晶圓開發出的光子集成芯片,因此硅光芯片所需的制造設備和技術與傳統集成電路基本一致,技術遷移成本較低,這也成為了硅光芯片得天獨厚的優勢。”李志華說。

    基于此,硅光芯片也有了更多的市場需求。國際半導體產業協會(SEMI)預測數據顯示,2030年全球硅光子學半導體市場規模預計將達到78.6億美元,預計復合年增長率將達到25.7%。

    硅光芯片的春天又要來了?

    數據來源:SEMI

    與此同時,硅光芯片也成為全球芯片巨頭競爭的另一關鍵賽道。

    臺積電此前在硅光芯片領域主推名為COUPE(緊湊型通用光子引擎)的封裝技術,其最大的特點是可以降低功耗、提升帶寬。有消息稱,臺積電計劃將該技術用于與英偉達的合作項目中,嘗試用該技術將多個英偉達GPU進行組合。此外,若此次臺積電能如愿與博通、英偉達等大客戶共同開發硅光芯片技術,也將會集合各方的技術優勢和資源,推動硅光芯片的大規模量產。

    另一芯片巨頭英特爾也致力于發展硅光芯片技術。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用(DWDM)技術,能夠在增加光子芯片帶寬的同時縮小尺寸。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,讓芯片間的帶寬達到更高水平。同時,英特爾還在研發八波長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,實現光互連芯粒技術。

    硅光芯片的春天又要來了?

    英特爾研究院研發的8個微環調制器和光波導(來源:英特爾)

    制造良率成最大阻礙

    盡管硅光芯片已經迎來從“幕后”走到“臺前”的轉折點,但是,這一次,臺積電能否攜手科技巨頭成功實現硅光芯片的量產并再次迎來“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,在相同的工藝節點下,硅光芯片對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線作為傳輸介質,這些導線具有高導電性和高導熱性,可以有效地傳輸信號并散熱。雖然金屬導線也有表面粗糙的情況,但由于其導電性和導熱性較好,因此對信號傳輸的影響相對較校

    然而硅光芯片中的微波導主要傳輸光子,而光子具有波動性,易受到電磁場的影響。當微波導的邊緣存在不平整或凸起時,可能會引發電磁場的不連續性,導致信號散射和能量損失。另外,光器件的性能對加工精度也十分敏感,微小的工藝誤差可能導致器件性能的嚴重劣化,因此,硅光芯片對工藝精度更加嚴苛,導致硅光芯片良率降低。

    若想有效解決硅光芯片的良率問題,并保證微波導的高性能傳輸,需要針對性地優化硅光制造工藝,以實現波導邊緣的平滑和提高光器件加工精度,從而提高信號傳輸的質量,保障光器件的性能和可靠性。

    作者丨沈叢

    編輯丨張心怡

    美編丨馬利亞

    監制丨連曉東

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