集成硅光子的时代将来临

来源：本文由公众号 半导体行业观察（ID：icbank） 翻译自semiengineering，作者 Brian Bailey ，谢谢。

远距离通信和数据中心是光子元件的大买家，这使得技术快速发展，并打开了新的市场，提供了新的机遇。该行业要适应满足其要求并解决集成硅光子学设计、开发和制造中的瓶颈。

Luxtera产品营销总监Brian Welch说：「你看云计算、搜索和社交网络中用到的带宽，它们都运行大数据中心，而且都消耗大量的带宽，远远超过所有其它市场之和。下一个可以与之媲美的是无线电5G的推出。」

但集成硅光子学不仅仅是带宽了，它可以从根本上改变一些计算概念。行业刚看到这一可能。

硅的重要性

 

过去，光子器件是由专业晶圆厂制造的，通常基于磷化铟（InP）。Inphi的首席技术官Radha Nagarajan表示：「硅已经可以使公司进行更大尺寸(晶圆)制造。硅片使用8英寸或12英寸晶圆（200mm或300mm），而InP采用3英寸或最多4英寸晶圆（100mm）。两者的制造规格不同。硅也使用制造工艺，如注入（implant）。这在硅光子学中很常用，但在InP并不常见，在InP中，通常通过蚀刻来形成某些结构，然后进行钝化。」

Luxtera公司的Welch指出，除了成本低廉，硅光子技术的产量也非常高。他说：「如果使用CMOS代工，它们的产量是无可比拟的。过去，缓慢的生产推迟了光学方案的使用。」

300mm的另一个优势是代工厂更有可能使用先进的制造技术。Welch说：「虽然光学不需要很好的光刻技术，但这并没有坏处。与晶体管相比，这些结构较大，而且大多光学结构有无限的带宽，所以它们不需要像缩小CMOS那样缩小尺寸来提高速度。」

图1：集成光子学。 来源：Luxtera

事实上，对光学来讲讨论节点并没有意义。Nagarajan指出：「光子的波长比电子的要大得多。这也是为什么电子产品可以进入7nm节点，而标准硅光子器件是130nm或180nm节点，而且通常使用245nm光刻线。光学器件不同于电子器件，它们的相位较为敏感，侧壁粗糙度和损耗很重要。当这些成为重要因素时，重要的将不是节点，而是更大尺寸但更精准的节点下，光刻和蚀刻的质量。」

你可能不想使用7nm节点，但7nm的开发商可能会使你动摇。Cadence的杰出工程师Gilles Lamant指出：「我们在减小小尺寸门的线粗糙度方面取得的所有进展都是可行的。代工厂正在光子工艺的产量和控制方面进行投资。你会发现，当你听到GlobalFoundries说他们正在将其平台转向更大或更现代的晶圆厂时，这不仅意味着晶圆里更多的裸片，而且意味着他们的目标是更先进且能更好地进行控制的设备。」

现在的问题是光子不使用传统的CMOS工艺，这限制了愿意制造（光子）器件的代工厂的数量。Welch说：「你想使用代工厂中中现有的所有工具，我们希望产生尽可能少的偏差。我们不想要一个特殊的生产链或特殊的工具，而希望我们的晶圆和先进的CMOS走一样的流程。这样我们才可以获取理想的成本和规模。这个技术有很多的工作要做，看起来简单，但很具有挑战性。」

还有一些挑战。Nagarajan提出了一个大的挑战：「你需要锗作为探测器，纯锗的生长仍然是一个挑战。」

集成

 

集成是数据中心的驱动程序。Welch说： 「集成非常重要，因为它可以降低成本。当你优化成本或功耗时，你需要集成更多。这样就接近switch直到最终在 临界点 里并达到最大密度。这对铜来说也是一样的，过去它有分立的物理层，随着时间的推移，它们在switch的支持下以更高的密度集成。光学领域也会是这样。」

在光子学中有两种典型的集成方法，第一种使用混合die，它有CMOS裸片上的光子元件，所以CMOS晶体管和光子元件在同一衬底上。这是Luxtera采用的方法。然而，大多数人仍然在做多芯片设计，它有一个光子 裸片 和一个电子CMOS 裸片 ]。

西门子公司Mentor定制IC设计组的产品营销经理Chris Cone说：「光子芯片的制造成本总体看来较低。它们是在较低的技术节点（如130nm或65nm）下产生的，光子芯片的尺寸通常更大，这意味着它们可以倒装连接（flip-bonded），在其顶部连接一个CMOS芯片。在这个方面我们看到了很大的进展。想象一下，CMOS芯片被倒装在光子芯片的顶部，而且这个芯片有点大，可以将它用作插入器。然后你需要访问CMOS芯片，这需要采用某种形式的硅通孔（through-silicon vias (TSV)）来获得电信号。

还有一个大的问题是激光本身，EV集团业务发展副总裁Martin Eibelhuber说：「一个主要问题是有源光学元件的集成通常是基于化合物半导体的激光器。硅基器件无法满足这些激光器的性能，所以需要异质材料集成，这对标准CMOS设备来说并不常见。直接晶圆连接已被证明是结合不同材料的极佳方法，以低成本实现高质量集成。由于几何约束，全硅晶圆连接方法对于硅光子学不是最佳选择，所以开发了利用等离子体激活的直接连接的集体芯片转移工艺。」

设计流程

 

为了使技术更易于使用需要工具、工艺和流程都达到一定要求。Synopsys光学解决方案集团（Optical Solution Group）研发部门主管Tom Walker说：「我们正在努力增加更多自动化的同时，使光子设计变得更加抽象。这两个因素对于帮助更多设计师开发定制光子集成电路设计非常重要。」

这一切都源于PDK。Nagarajan说：「Synopsys和Cadence都在增加这一领域的产品。Synopsys刚刚收购了此领域的一家公司（PhoeniX Software）。PDK需要实现自动化，与Mentor设计规则检查（Design Rule Checking，DRC）工具，用于模拟/数字仿真的Cadence工具和Synopsys的等效工具结合使用。一整套光学工具需要移植到这些流程中，这正在慢慢地发生。」

今年几家代工厂宣布了PDK，然后，你可以在设计抽象化上更进一步了。

Walker解释说：「设计过程分为不同的层次。每个层次都隐藏了底层的内部工作，向设计师展示越来越抽象的功能。第一层对应物理布局，这里，通过控制几何形状和材料属性来创建定义组件和连接的结构。上层是电路级别，通过将各个组件连接成电路来定义信号行为。」

在模拟领域，抽象的下一层次通常称为参数化单元或PCell。Nagarajan继续说道：「如果你的设计主要采用基于PCell的标准代工厂，那么设计环境将适用于自动化。你可以购买一个IP核放入其中，如果你处于高端市场，那你正在设计一个往往是专家驱动的极具冲击力的产品，尽管这些工具远不及普通的电子产品或IP核的复杂程度，但一些代工厂已经开始提供PCell。」

设计的另一面是验证。Cadence的Lamant说：「当你谈论rack从顶部到底部或card的从左到右时，能够进行全系统仿真开始变得非常有趣。你需要将AMS和光学模拟器结合在一起。如果没有模拟，你只需要计划稳定，并投入足够的中继器中，但对于较短的距离，你想尝试优化它并尽量减少能量损耗。」

光学元件的集成也产生了一些有趣的新挑战。Lamant补充道：「光线有反弹的趋势，所以有前向传播的光，但会有一定数量的光线反弹回来，而且你需要建模。这是混合光学模拟器真正有帮助的地方。如果你有通过数学模型传播信号的方法，如Verilog-A，向后传播需要很多额外的方程。」

电子和光子学聚在一起的时候出现了另一系列问题。Mentor公司的Cone说：「当你驱动一个光子接口时，你遇到了很多关于噪声和大量热量的问题，这必须考虑在内。没有东西可以提供这种能力，这一切都归结为接口，它速度非常快，以每秒几十千兆位的速度运行，开关驱动调制器上的结点或移相器，并产生一个你必须考虑的EMI签名。同样，从光电探测器出发，你需要一个非常敏感的输入进入跨阻放大器。你必须屏蔽来自电路其它部分的噪声。」

这种电气活动及其产生的热量可能会给光学器件带来困难。Lamant指出：「只需将温度改变1°C，你就可以看到光线相位的巨大变化。有一些很好的方法可以调整光路，虽然这可能是一个优势，但我周围所有电子设备的变化速度都很快地超过1°C。所以这是一个非常敏感的调整机制，也是一个大问题。这是一个投资和研究的领域，我们需要以动态的方式更好地理解热效应。对于电子产品来说，它通常被视为二阶效应，但对于光学来说，散热是一阶效应。如果你从代工厂的PDK中看元件，会看到许多热调整组件。所以它不是到验证阶段才可以离开的东西，这是一个一级效应。」

Lamant解释说光子电路需要达到热平衡：「当你想要零点和光子学中的零点时，你要么尝试调整相位，要么使它们错位来产生建设性或破坏性干扰。通过加热一些东西来调整受影响的相位偏移，从而向前或向后移动物体。」

EDA正在应对这些挑战。然而，Cone有一个警告：「光子学和电子学很不一样，我们需要为他们提供解决方案以满足他们的需求，而不是试图使光子学那一部分遵守严格的EDA设计规则，这样做是不对的。」

光子学未来可期

 

尽管光子学永远不会像电子学和摩尔定律那样走上正轨，但光子行业刚刚开始使光子电路的可能性提高。Lamant指出了MIT的一个有趣的发展：「Light Matter有一个用于机器学习中应用矩阵系数的光子学乘法器。光子电路本身非常简单，但执行的功能非常复杂。」

矩阵乘法是机器学习中性能的限制，会消耗大量的功率。对于光学等效物，它可以在消耗功率很小的情况下很快地运行。

Lamant提醒道：「可能会发现其它的应用。一个重要的考虑因素是数据必须转换成适合光学元件的形式，这需要能量。因此，一个一个需要权衡的情况是，将电子信息转换为光使其可以在光学加速器内消耗和处理是否值得。或者将其用作电子产品并付出更高的成本是否更好？这是一个系统级的折衷。」

Cone 提出另一个有趣的研究线。「看看HPE实验室和机器，这是一种内存驱动计算的形式，它们提供了基于光子学的计算的未来愿景。」

这种发展假设在硅光子学中，你有大量节点通过单个光纤连接，并且它们几乎是瞬间互相对话。Cone表示：「这改变了我们对给予电气连接的系统级芯片架构的了解。我们看到公司意识到他们不再需要使用所有架构都是模块化的，并且通过一些接口进行对话的传统架构。现在一切都可以在同一时间进行对话。我们几乎不能在表面捕捉到看到这种转变，并将其推动至产品的电气方面。」

集成硅光子技术的领域越来越密切，必要的工具和流程正在进入正轨。很快，该行业将得到最新颖的方式来利用它。

致谢：本文由电子科技大学低功耗集成电路与系统研究所黄乐天老师和方子力同学协助校对，特此感谢。

原文链接：https://semiengineering.com/preparing-for-integrated-silicon-photonics/

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