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【分析】硅基光子研究进展与面临的设计/工艺挑战

导读: 硅光子是基于硅和硅基衬底材料,利用现有 CMOS 工艺进行光器件开发和集成的新一代技术,结合了集成电路技术的超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势,是应对摩尔定律失效的颠覆性技术。这种组合得力于半导体晶圆制造的可扩展性,因而能够降低成本。

早在上世纪九十年代,IT从业者就开始为半导体芯片产业寻找继任者。光子计算、量子计算、生物计算、超导计算等概念一时间炙手可热,它们的目标都是在硅芯片发展到物理极限后取而代之,以延续摩尔定律。

其中光子计算一度被认为是最有希望的未来技术。与半导体芯片相比,光芯片用超微透镜取代晶体管、以光信号代替电信号进行运算。光芯片无需改变二进制计算机的软件原理,但可以轻易实现极高的运算频率,同时能耗非常低,不需要复杂的散热装置。与电脑对应,设想中的光学计算机被称作“光脑”。

理想是美好的,现实总是残酷的。科学家和工程师很快就发现制造纳米级的光学透镜是如此困难,想在小小的芯片上集成数十亿的透镜远远超出了人类现有的技术水平。

2015年,随着IBM成功研制出实用化的硅光学芯片,这项已有二十年发展历史的技术重新泛起日出般的光芒,并逐渐成为一种商业可能。

2017年5月12日,来自中国电科38所,光电集成研究中心的曹国威和冯俊波为我们详细介绍了硅基光子的进展与面临的设计和工艺挑战。

硅光子技术是什么?

硅光子是基于硅和硅基衬底材料(如 SiGe/Si、SOI 等),利用现有 CMOS 工艺进行光器件开发和集成的新一代技术,结合了集成电路技术的超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势,是应对摩尔定律失效的颠覆性技术。这种组合得力于半导体晶圆制造的可扩展性,因而能够降低成本。

在介绍中曹国威指出,硅对于1μm以上的波长透明,能够覆盖常用波段。硅工艺成熟,且易于大规模生产。高折射率差,利于器件紧凑小型化。

此外,硅材料还拥有诸多功能性,譬如,拥有良好的热光效应、载流子等离子体色散并能够与其他材料集成。可以说,硅光子技术有利于大规模生产,在尺寸方面非常具有竞争力。

硅光子从实验室走向市场

【分析】硅基光子研究进展与面临的设计/工艺挑战

硅基光电领域迅速发展,在2015年迎来爆发式的增长。2010年前主要工作主要集中在实验室,00年前后,IBM和英特尔开始成立硅光子部门,2010年之后,开始面向市场,重视功能性集成系统,知名光通信器件公司开展硅光业务。

硅基光电子市场增长分析

2018年后将急剧增长。该市场的主要爆发点在数据通信市场,随着大数据以及互联网公司对于数据的需求越来越高,大数据和互联网公司将会成为硅基光电子市场的主要增长点。

但是在曹国威看来,传感、生命科学等市场对于硅基光电子的需求从很大程度上被市场所低估,在未来将会从一定程度上驱动市场增长,成为市场的潜在驱动力。

根据市场研究机构Yole 的数据,2015年全球硅光元件的市场规模还只有区区4000万美元,且拥有相关产品的公司不过Cisco, Intel, STMicroelectronics等寥寥几家。但到了2025年,预计硅光器件的市场规模将快速增长至15亿美元,2015至2025年均复合增长率高达45%,其中近90%用于数据中心。

微软、亚马逊和Facebook等互联网巨头之所以一直在大力推动该技术的发展,就是因为其数据中心每时每刻都在处理海量数据,其数据中心的性能被传统铜绞线数据传输带宽所限制。因此,这些互联网巨头希望硅基光电子技术能解决数据传输带宽问题从而提升数据中心的效率。

硅基光电子芯片将被部署在高速信号传输系统中,替换现有的铜绞线。如Intel发布了传输速率可达100Gbps的光通讯芯片,它支持波分复用技术让不同的芯片可以在同一条光缆中同时工作而互不影响。此类设备适用于数据中心与超级计算机,解决基于铜线的传统互联性能不足问题。

IBM、ST与NEC等主要芯片厂商也正在积极开发硅光子器件,国内也有不少公司在做硅基光通讯芯片,例如华为(之前收购了欧洲IMEC的硅基光电子芯片初创公司Caliopa)以及专注于CMOS光电子芯片的初创公司PhotonIC。

硅基光子的市场应用

电信、数据通信、多媒体、个人消费、测量传感、生物传感以及军事应用,其中,电信和数据连接占有其中的绝大部分。电信占据48%份额,数据通信占据34%份额。

【分析】硅基光子研究进展与面临的设计/工艺挑战

国内外代表性公司

目前,尽管硅光子技术带来颠覆性的可能性仍不明朗,但众多器件和模块供应商已 将硅光子技术纳入其发展路线图,并开始增加研发资金,因为谁也无法承担忽视这项技 术所带来的后果。

国内外代表性公司如下:

Intel、IBM、HP、Acacia、Aurrion(Juniper)、Binoptics(MACOM)、Caliopa(HUAWEI)、Compass、Colorchip、Cyoptics(Avago)、Kotura(Mellanox)、Luxtera、Lightwire(Cisco)、Rockley Photonics、Skorpios、SiFotonics、TeraXion(Ciena)等

硅光子模块的最新进展:100G硅光模块

Luxtera宣布其采用了PAM4技术的100G CWDM2 QSFP光模块开始送样,2x100G PSM4模块也开始批量供货。

Acacia展示了Ball-Grid Array封装形式的200Gbps模块,为ASIC和PIC共同封装打下基础,将拥有更大的工作带宽和更好的热管理。

Mellanox展示了的100G PSM4模块产品线,并已送样200G QSFP28模块。

海信展示其100G PSM4 QSFP28光模块。

2016年,100G光模块市场高速增长,达到约11.5亿美元,基于硅光子技术的产品逐渐投入市场。

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