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硅光:基于格芯RF工艺的光学与数字技术的融合

5月 19, 2020

格芯®(GLOBALFOUNDRIES®)与硅光初创公司Ayar Labs自2016年起一直在合作研发封装内光学互连单芯片解决方案

“在同一芯片上集成光子和RF CMOS电路讲求精妙的平衡。将其全部集成到硅片上,我们便可充分利用硅制造技术的规模、成本和工艺控制优势。”——格芯副总裁Anthony Yu

作者:Dave Lammers

格芯于2015年收购了IBM微电子业务,获得了大量宝贵的硅光(SiPh - Silicon Photonics)研发成果,这些成果现在将广泛应用于300mm晶圆产品。公司重要的合作伙伴Ayar Labs适时推出了单芯片硅光设计,这是一家位于加利福尼亚州的初创企业,他们的单芯片设计为封装到封装互连确立了全新的带宽、功耗和延迟基准。

格芯计算和有线基础架构业务部副总裁Anthony Yu表示,格芯获得了IBM的九年光子学研究成果,并实现了90nm工艺“产业化”,即90WG。他表示:“在菲什基尔的工厂,我们已经在300mm晶圆上实现了这一工艺的量产。格芯做的大量的工作不仅定位于可信任的制造服务提供商,也针对光传输器准备可批量生产的各种相关器件。”

多年来,位于佛蒙特州伯灵顿附近的格芯Fab 9一直在利用锗硅工艺(9HP)为光学收发器制造元件。这些解决方案(激光驱动器、跨阻放大器(TIA)和其他分立式元件)被数据中心和其他市场中的“可插拔”多芯片光模块所采用,以通过光纤链路实现服务器机架的中距离连接。

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格芯的45CLO工艺是整合数字RF功能与所需的光学器件的硅光单芯片解决方案。(资料来源:格芯)

 

光学连接开始进入新的阶段,可插拔光学收发器将被取代。在新技术中,光子链路连接到同一封装中的高性能IC,同时借助外部激光器提供光源。该封装通过光纤连接到另一个采用光子链路的模块,从而形成封装到封装高速互连,同时大幅降低功耗。

MIPO(单芯片封装内光学)I/O将Ayar Labs的光电小芯片TeraPHY集成到多芯片封装(MCP)中。经过与格芯的多年合作,Ayar Labs现在已将MIPO I/O小芯片发展到工程采样阶段。硅光领域先锋企业英特尔是最早采用Ayar Labs解决方案的企业之一,最初的目标是将其FPGA(现场可编程门阵列)与其他模块集成。

Yu表示,虽然该领域不乏一些其他的初创公司,并且大型数据中心企业都在研发自己的设计,但Ayar Labs是“最早开始设计太比特(Terabit)级解决方案的公司之一。他们积极进取,合作意愿非常强烈。”他补充道,Ayar Labs的单片小芯片将成为“颠覆行业的产品”。

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批量制造是打造高性价比光子解决方案的一个关键要素。(资料来源:Ayar Labs)

将光子功能集成到同一块芯片上作为电子控制电路是一项颇具趣味的挑战。芯片将电子接口、数字电路和高速模拟混合信号电路与光学元件组合在同一硅片上。“在同一芯片上集成光子和RF CMOS电路讲求精妙的平衡。将其全部集成到硅中,我们便可充分利用硅制造技术的规模、成本和工艺控制优势。”Yu继续补充道,格芯与Ayar Labs组建的团队密切关注封装、组装和测试的挑战。

转折点

Ayar Labs的联合创始人、总裁兼首席技术官Mark Wade称,公司于2015年成立,最初是由参与一个多院校协作光子项目的成员组成。2016年,该初创公司与格芯建立合作伙伴关系。Wade表示,“当时整个行业正处于一个转折点。大家都注意到了电子I/O自身的局限性,并预测就扩展电气互连而言,电子I/O已无计可施。”他补充道,112 Gbps或许是基于CMOS的Serdes连接的最终极限值。

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Ayar Labs从零开始研究新的解决方案,希望借助光学来彻底解决芯片到芯片的带宽问题。与电气互连相比,光学互连不仅能耗低得多,而且可以大幅提高带宽并减少时延。采用光纤后,影响电气互连的距离/带宽的权衡问题将不再成为困扰。

[有关Ayar Labs解决方案的详细探讨,请参阅:光学I/O小芯片消除瓶颈,释放创新能力]

Ayar Labs和格芯合力研发可进行批量制造的单芯片解决方案,以期缓解数据中心带宽日益捉襟见肘的境况。例如,机器学习在连接处理器和GPU以及高带宽内存时要求更高的芯片到芯片带宽。Wade指出,“数据中心需要将机器分布到不同的物理位置,并使用通过超高带宽互连接口连接起来的多个组件。他们想要设计新型系统架构,而使用目前和未来几代的I/O是无法实现的。”

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45CLO工艺将赋能一流的光学和数字功能。(资料来源:格芯)

RF CMOS优势

格芯与Ayar Labs合作发现了多种方法,能够针对光学结构和其他功能优化格芯的45 RF SOI工艺。这项曾专门为毫米波市场研发的技术经过改进,包含了光子功能,现在正用于构建原型。

Wade表示,RF SOI CMOS是一项“赋能技术,因为有了它,我们得以在同一个平面层中构建晶体管和光学器件。此外,SOI工艺也帮助实现了超快晶体管,速度超过了大多数先进工艺节点。它们的密度不同于先进(CMOS体硅)工艺节点。但就模拟性能以及Ft和Fmax速度而言,它们的表现优于目前用于数字芯片的先进FinFET节点。”

Ayar Labs和格芯正在合作研发格芯的新一代硅光平台45CLO,Ayar Labs计划在其器件量产时使用这一平台。Wade表示:“我们正在与格芯合作开展多项工作,希望将试产阶段的基于45nm RF SOI上的工作成果结合格芯通过收购IBM研发部获得的一些技术和工艺,从而打造高度可靠、可生产的工艺以在45CLO平台中构建我们的解决方案。”

格芯副总裁Anthony Yu透露,公司的45CLO单芯片技术将在纽约州马耳他的8号晶圆厂生产,并计划于2021年下半年完成生产工艺认证。

Ayar Labs首席执行官Charlie Wuischpard于2018年11月加入Ayar Labs,此前曾就职于英特尔数据中心部门,担任副总裁兼总经理一职。他表示,45CLO工艺的一大优化在于锗模块,“它有助于提高性能,并能让我们构建真正高性能的光检测器。我们认为最终将实现一流的光电性能。”

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Wuischpard称,集成的光学互连技术能够在新系统架构中实现出色的功能。“我们仍处于在CPU封装内部构建光学I/O的早期阶段。我们需要考虑百万兆级以上的机器,并非现在的超级计算机,而是未来的超级计算机和人工智能系统。”

从A到B

Moor Insights & Strategy咨询公司的创始人、总裁兼首席分析师Patrick Moorhead解释道:“要让人工智能和机器学习能够发挥作用,唯一的方法就是收集更多数据,然后将数据从A传输到B,并且整个过程必须非常快速。而在许多情况下,数据传输必须时延非常小。”

云游戏、机器人、外科手术机器人、CV2X车与车和车与网络的链接、智能制造、蜂窝网络和其他应用需要数据中心处理海量数据,同时要将功耗保持在控制水平内。“人们正在边缘侧产生大量数据。无论是受移动、物联网还是5G的推动,都将有海量数据节点,其中许多数据都将返回数据中心。”他补充道,“正是因为有了机器学习和人工智能,我们才能利用所有这些数据做有用的事情。”

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芯片行业已经意识到摩尔定律正逐渐失效,因此正转向异构计算,并使用独创性的封装和芯片堆叠形式。事实会证明,硅光作为一种芯片互连方法,将会成为深受欢迎的选择。例如,相较于限制设计灵活性的硅通孔(TSV),与高带宽内存或加速器建立光子链路将会更受青睐。

Moorhead表示:“硅光是实现芯片间通信的全新方式,它使用的光学链路性能相当于PCI Express卡或3D封装。如果产量适当,从长远来看,使用硅光实现片外加速将会降低成本。”

阅读Pat在《福布斯》上发表的近期文章,了解格芯如何悄然成为硅光领域的生力军。

 

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包含TeraPhy小芯片的模块能以更快的速度和更低的功耗进行光学连接。(资料来源:Ayar Labs) 

光学技术缓解带宽压力

The Linley Group首席分析师Bob Wheeler称,Ayar Labs的TeraPhy小芯片有10个光学端口,利用波分复用(WDM)增加单一光纤上的光学信号数量。

“这样就能在芯片表面的线性边缘封装大量带宽。总而言之,能够从[芯片]获得多少带宽将成为限制性因素,尤其是对于尝试传输数十太比特数据的以太网交换机而言。”

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Wheeler说道:“他们取得的成果在集成程度和WDM方面是非常独特的。他们如何实现,如何将小芯片的体积缩小到如此程度,得益于Ayar Labs针对调制器和检测器研发的专有技术,相较于传统的马赫-曾德尔调制器,它们相当紧凑。”

任何重大技术转型均非一朝一夕之功,Wheeler表示,应先从下一代以太网芯片入手运用光学I/O,继而再推进到高端处理器和ASIC。“当电子I/O逐渐失去发展潜力之时,光学I/O将成为唯一一种缓解部分带宽压力的技术。”

格芯副总裁Yu评论道,未来几年,硅光以及它所支持的芯片到芯片光学连接将继续推动平台创新和新型解决方案的开发。格芯具备精良的制造工艺和丰富的硅光专业知识,并且旗下45CLO单芯片工艺正处于良好的发展势头,公司有信心成为这一领域的行业领先企业。

Yu表示:“十几年来,人们一直在谈论推出硅光的话题。硅光价值何在,格芯有何优势,全赖于大规模制造才能得以体现。我们有能力使用300mm制造工艺,通过非常严格的工艺控制,将光学和硅功能融合到VLSI解决方案中。我们助力客户扩展解决方案,实现快速发展。”

单击此处进一步了解格芯如何在计算和有线基础设施中利用光的能量。

 

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