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芯片制造商开始重视集成光子学
信息来源:2021-09-23


将光子学集成到半导体中越来越受欢迎,尤其是在异构多芯片封装中,因为芯片制造商正在寻找新的方法来克服功率限制并处理不断增加的数据量。


自从 Dennard 缩放结束以来,功耗一直是一个日益受到关注的问题,这发生在 90nm 节点附近。每平方毫米有更多的晶体管,电线更细,这会增加电阻和电容并产生热量。除此之外,需要处理和移动的数据量持续增长,因此各种处理元件、存储器和 I/O 的使用比过去更加密集。这使得移动数据、在需要的地方提供足够的电力以及散热变得更加困难。

光子学提供了一个潜在的解决方案。事实上,它可以提供阶梯式功能改进,为当今受到固定功率预算和铜互连限制的新应用打开大门。

因为使用铜线的通信成本开始变得过高。电气互连的挑战将越来受到关注,随着性能的提高或覆盖范围的扩大,您的电力成本也会上升。该行业正在发展到电气互连将完全消耗您的功率预算的地步,而这将在几年内发生。


直到最近,这还由于成本问题所禁用。但,当光子学的成本低于铜的成本时,这会变得非常有趣。


看看行业内的其他领域发展瓶颈,是否是光子学的发展期来了?


光罩限制定义了光刻机可以蚀刻的最大尺寸。对于今天用于生产大部分芯片的 193 纳米浸入式步进器,该限制为 33 x 26 — 略高于 800 平方毫米。与此同时,摩尔定律在许多公司或设计类型的成本效益方面正在放缓。这意味着可以在单片硅上经济地制造的晶体管数量已达到极限。

摩尔定律的下一阶段要求设备开始成为多个芯片的组件,业界一直在投资这项技术。如今,大多数高端 CPU 和 GPU、FPGA 和 AI 处理器中都可以找到它的专有版本。随着行业采用率的提高,问题正在得到解决,成本正在下降,这使得更大的潜在市场成为可能。

多个芯片的异构集成指向小芯片的概念。这些是预先设计和制造的功能部件,可以像今天在 PCB 上组装芯片一样,将它们组装到封装中。在这成为广泛采用的现实之前,该行业必须克服一些挑战。其中一些是技术方面的,另一些是财务或法律方面的,其中一些与标准的创建有关,以确保这些标准化产品有足够大的市场。

小芯片技术还将有助于电子设备以外的事物的异构集成(见图 1)。我们已经看到视频传感器设备是使用晶圆键合将光学层和电子层融合在一起的组合。数量巨大,而且该技术自 2016 年以来得到了很好的证明。

Fig01_heterogeneous_integration_Ansys.png

图 1:异构集成的新兴应用



一种用于集成小芯片的技术是利用中介层。这相当于此类封装系统中的 PCB。中介层用作各种小芯片之间的互连。这种方法已成功用于高带宽内存 (HBM)。中介层的问题在于它是一个必须制造的单独“芯片”,这增加了总成本。其他公司正在考虑将小芯片直接堆叠到主芯片上,或者使用小块内插器来桥接各种芯片。

我们看到光子学市场开始利用异构集成,它可以重新构想芯片、芯片和系统通信方式的许多方面。

不断增长的市场
由于缺乏批量产品,光子组件的成本一直很高。“使用集成光子学——尤其是硅光子学——的低成本、高速收发器的承诺已经实现,”Ansys 的 Pond 说。“我们已经看到了数百万台设备的出货量,它们被用于数据中心。预计至少到 2025 年,这将继续以超过 40% 的年增长率增长(见图 2)。共同封装的光学器件是下一个前沿领域。需要解决我们的数据带宽问题。光互连和共同封装的光学器件是实现这一目标的唯一途径。”

Fig02_transceiver_mkt_Ansys.png图 2. 收发器市场的增长




新市场将有不同的要求。“电信应用由半高全宽 (FWHM) 方法驱动,因此它们可以具有许多彼此非常接近的不同波长,”EV 集团业务发展副主管 Martin Eibelhuber 说。“这通常导致他们将不同波长的边缘发射激光器紧密集成在一起。新应用,特别是基于光子集成的激光雷达,正变得越来越流行,在不久的将来,这将是一个更大的市场。”


你可以看到光子解决方案将赢得40%的收益,使用光子解决方案,可以完全摆脱电路的那部分

重定时器是一种模拟电路,要正确使用非常复杂。使用光子学,您不会遇到光纤中的那些阻抗匹配问题和损耗。这是集成光子学可以实现的变化类型,它们是阶跃函数。”


如今,很多技术的突破让市场越来越看到光学器件的前景,比如:激光小芯片、硅化合物获得光, 光子学尺寸与电子类不匹配的问题也有了单片解决方案,那么更多的机会来自于集成的光子中介层,工程师可以在其上构建3D IC。作为这些小芯片之间以及与外部世界之间的通信层。此外,当您开始考虑迁移到每个具有用于通信的集成光子中介层的 3D IC 时,您所谈论的体积比数据中心收发器大几个数量级。对于集成光子学来说,这是一个重要的阶段,可以与电子产品相提并论,这绝对是一种利基规模的市场,转变为更重要的市场。


但是,光子学仍然遇到一些独特的问题。

电子产品会产生大量热量,他们将改变集成光子中介层的温度。一些光子器件对温度变化非常敏感。建模的挑战在于能够了解整个 3D IC 的温度发生了什么变化,并且从仿真的角度来看,能够计算不同配置下的工作温度。每个单独的光子组件的局部温度是多少?然后我们可以研究它对光子电路性能的影响。典型的芯片可以根据操作环境或工作负载承受各种温度。即使是光子解调器的一小部分度数变化也会对性能产生很大影响。

电子产品会产生大量热量,他们将改变集成光子中介层的温度,”Pond 说。“一些光子器件对温度变化非常敏感。建模的挑战在于能够了解整个 3D IC 的温度发生了什么变化,并且从仿真的角度来看,能够计算不同配置下的工作温度。每个单独的光子组件的局部温度是多少?然后我们可以研究它对光子电路性能的影响。”

典型的芯片可以根据操作环境或工作负载承受各种温度。“即使是光子解调器的一小部分度数变化也会对性能产生很大影响。







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