c114訊 5月24日消息（焦焦）昨日，由CIOE和C114聯合舉辦的“AI時代：數據中心光互聯技術新趨勢”線上論壇如期舉行，聯合微電子中心翟文豪在論壇上發表了“硅光共封裝中異構集成技術”為主題的演講，為大家分享了在人工智能時代CPO技術的發展與挑戰。
當前新一輪科技革命和產業變革加速演進，人工智能、云計算、大數據等數字科技迅猛發展，特別是以切了GPT為代表的生成是大模型出現，推動了數字科技進入人工智能時代。翟文豪認為，隨著摩爾定律受限，大帶寬低功耗的要求逐漸迫切， CPO技術的重要性也日益凸顯。
CPO技術是解決摩爾定律發展瓶頸的“一劑良藥”
翟文豪表示，CPO技術越來越受大家青睞，主要是因為大模型應用對大帶寬低功耗的數據傳輸和互聯技術提出了迫切需求，而CPO技術通過將光芯片和電芯片共封裝縮短了兩者之間的間距，相較與傳統的FPP技術可降低30%的功耗。
隨著交換芯片的技術演進，與之匹配的用于數據傳輸的光模塊速率也在隨之攀升，目的就是為了更好的處理數據。而光模塊速率的增加有兩種途徑：一是提高通道數，這意味著更高的集成度。二是提高單通道速率，則需要更低的通道損耗。
因此不難看出，CPO技術是以上需求很好的解決方案。現如今摩爾定律發展遇到瓶頸，而CPO技術的出現有望延續計算機性能。CPO’s roadmap三維垂直堆疊的CPO技術可提供更大的帶寬和更高效的光電系統。
硅光CPO所面臨四大挑戰
翟文豪表示，CPO技術是很好的解決方案毋容置疑，但硅光CPO技術目前仍面臨四大挑戰。
第一大挑戰是三維堆疊CPO技術需要用到硅光加TSV技術。因為基于wire-bonidng的光電系統，IO口數量有限，同時引線會帶來寄生效應且集成度受限，而采用TSV技術的光電三維堆疊系統，距離更短，具有更好的信號完整性和更高的集成密度，因此被用于CPO技術中。
硅光TSV工藝常見的主要有TSV middle和TSV Last兩種工藝，翟文豪介紹到，TSV middle工藝是指，在接硅光前道工藝完成后，加工TSV可提供更高的密度和更好的熱管理；而TSV Last工藝則是在全部硅光工藝完成后再加工，提供了更好的自由度，工藝簡單但集成度受限。因此硅光From更傾向于采用TSV middle工藝，更進一步的在硅光TSV轉接板中將IPD工藝并集成構造更為完善、緊湊的互聯形態。
第二大挑戰是針對單波200G的新型調制技術。硅光中常用的調制技術有MZM調制、微環調制以及異質集成磷酸鋰等材料。基于硅光分段式的MZM調制器，采用三段式MZM實現3db帶寬67GHz、2.8Vpp實現了120Gbaud的強度調制。微環調制方面，港中文大學基于微環調制器實現了130 GBaud PAM-4調制，僅1.8Vpp。英特爾于2022年OFC上報道了224-Gb/s PAM-4微環調制器也為1.8Vpp。此外，異質集成薄膜鈮酸鋰、BTO、IIIV等也是潛在的解決方案。借助材料優異的光電效應，可實現單波200G的光傳輸。
翟文豪認為，上述方案中，純硅基MZM實現單波200G傳輸，可能面臨功耗偏大等問題，而微環調制器或異質集成薄膜鈮酸鋰等方案是更好的解決途徑。
第三大挑戰是激光器集成。采用外部光源需要配合保屏光纖，但這樣會增加使用成本，因此激光器集成就顯得尤為重要，同時也是一個挑戰。常用的激光器集成方案有以下4種：
第一種是Flip-Chip集成，將激光器芯片直接Flip-Chip集成到硅光芯片上是目前較為成熟的一種方案。第二種是采用Microtransfer Printing方法，該方案降低了耦合對準的要求。第三種是wafer bonding方案，該方案無需對準，可采用晶圓級工藝，適合大批量生產。第四種是直接采用外延生長方式單片集成，但面臨III-V與硅晶格失配等問題，目前仍處于研究階段。此外，基于氮化硅微環實現的光頻輸光源可配合波分復用和直驅微環調制器將有望替代電學SerDes，可進一步降低功耗。
第四大挑戰是光學耦合方案。光纖和光波導之間有較大的模場適配，如何在大批量生產中實現低損耗的光耦合顯得尤為重要。常用的耦合方案可分為：有源耦合、半無源耦合和無源耦合。有源耦合可實現更高的對準精度，但耗時較多；半無源耦合借助圖像識別系統可進一步縮短時間和降低成本；而無源耦合采用微型槽方式自對準，成本更低，適合于大批量生產，但需要承受由于對準偏差可能帶來的額外損耗。
CUMEC's PDK致力于構建產硅光產學研合作生態
翟文豪介紹到，CUMEC's PDK于2020年和2021年發布了4套PDK，包括：硅光180nm成套硅光工藝PDK、130nm成套硅光工藝PDK和三維集成工藝PDK，公司于去年發布了硅加氮化硅集成PDK。截止2022年公司客戶達到120家，包含研究所、高校和企業等。
CUMEC's PDK致力于構建產硅光產學研合作生態，CUMEC's PDK的產品包括：硅光、PDK、光柵耦合器等無源器件，以及調制器、探測器等有源器件。
目前，CUMEC's PDK的光柵損耗可達3~4dB，條形波導損耗1.5DB/厘米，熱光影像器派像儀功耗小于20毫瓦，調制器帶寬大于30GHz，探測器帶寬大于50GHz，端滅火器損耗2~3dB，SOI波導中FE波導的損耗可做到1.22dB/厘米，ME波導0.85dB/厘米，SE波導0.32dB/厘米。同時氮化硅可提供LP和PE氮化硅兩種。
翟文豪分享到，硅加氮化硅平臺由于氮化硅波導的引入，可以承受更大的輸入功率，同時氮化硅波導對寬度和厚度有更大的容忍度，可以降低相位誤差。由于氮化硅波導的熱光系數較低，更適用于波道和波分復用系統。同時氮化硅波導可以實現更好的端面吻合。
此外，翟文豪還具體分享了CUMEC's PDK的光柵耦合器、硅調制器、PIN熱像儀、光探測器等產品的性能，充分展示出了CUMEC's PDK產品的業界先進水平。
最后，翟文豪表示，CUMEC's PDK作為硅光工藝和三維集成工藝的開放工藝平臺，正在研發硅光加TSV集成工藝，期待與業界同仁共同探討交流，深入合作。
