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        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
        2023-10-08 08:43:42
        來源:中國電子報、電子信息產業網 沈叢??

        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場。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。

        從“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?!崩钪救A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%。

        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。

        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小。

        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。

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