硅光技术的未来和展望

在虚拟化、网络和计算等行业趋势的推动下，数据量和消耗量的爆炸式增长继续将光子解决方案推向领先地位。2 月 2日举办的DesignCon小组讨论会上，来自英特尔、GlobalFoundries、Nvidia、思科和 Ayar Labs 的行业专家齐聚一堂，就光子技术的现状、挑战和未来进行了动态和全面的讨论和生态系统。

面对激增的带宽需求和通信消耗的相关功率，半导体行业正在对光互连技术进行多元化投资。电气互连在性能、范围和功耗的可扩展性方面从根本上受到限制。这就是光互连的优势所在。分析师预计，在未来 5 到 10 年内，硅光子市场和应用的年增长率将达到 20% 到 40%。虽然迄今为止的增长主要由数据通信和收发器市场推动，但现在出现了令人兴奋的应用多样化，包括 LiDAR、生物传感、计算、新型 I/O 和量子计算等。

对光子系统有真正的需求，业界通过创建一个与电子设计自动化 (EDA) 行业非常相似的生态系统来响应，通常称为电子-光子设计自动化 (EPDA)。从早期仅以 PDF 文件形式提供光子 PDK（工艺设计套件）以来，设计工具和整个生态系统已经取得了长足的进步。一个值得注意的例子是高级 EPDA 设计工具，正如 James Pond 在图 2 中强调的那样，“今天我们在 EPDA 中拥有首要的工作流程。它提供了您所期望的各种功能，例如原理图驱动的布局、Virtuoso 布局套件和 Ansys 多物理场求解器之间的链接和直接桥接、制造兼容的定制设计、参数提取以创建准确的统计紧凑模型并支持 PDK 开发。

今天，光子学已经从公里长距离的主导地位下降到米长距离。我们看到可插拔光子收发器从产品引入阶段迅速发展到每年生产数百万台。可插拔收发器是高度模块化的，只要满足目标通信规范，任何供应商都可以提供。它们直接插入前面板插座，然后信号通过电气 SerDes 链路传送到 ASIC，最终在 ASIC 中进行计算和处理。这种方法的缺点是铜线连接容易受到 RF 损耗的影响，尤其是在高速通信时。

Intel Foundry Services 硅光子战略负责人 Robert Blum 回忆说：“当我们在 2016 年推出带有可插拔收发器的 SiP 时，我们还制定了一个愿景，最终目标是将光学器件引入处理器。SiP 是唯一可以做到这一点的技术。可插拔是一个起点，芯片到芯片的光链路有望紧随其后。”

面对我们对数据永无止境的胃口，半导体行业面临着跟上越来越高的带宽、延迟和功耗需求的压力，这些需求正在推动创新解决方案，将光学元件从面板移至更靠近板载和片上的位置使用 ASIC，完全消除了对耗能 SerDes 连接的需求。

“经过多方期待，在 2022 年，我们开始看到光纤直接连接到 ASIC 封装而不是插入面板的光子解决方案。对于光子学来说，这是令人难以置信的激动人心的时刻！”Pond 评论道。

现在想象一下，我们拥有打破当今速度和带宽限制的技术！这对 AI/ML 中的架构和广泛的新兴应用意味着什么？Ayar Labs 激光工程副总裁 Matt Sysak 描述了一个充满无限可能的未来，“如果导致我们今天设计计算机的方式发生变化，这将意味着可以自由地重新构想计算机架构。在 Ayar Labs，我们的愿景是让光学 I/O 无处不在，这不仅会加速计算，而且有可能重塑它。”

一方面，硅光子学的兴起在很大程度上归功于对电子行业数十年的投资和 CMOS 制造中硅晶圆加工的成熟，GlobalFoundries 硅光子学产品管理副总裁 Anthony Yu 进一步解释说， “我们继续扩大我们的光子代工能力，以帮助我们的客户将光子学的优势带到不同的市场。我们只有将从 CMOS 代工模型中学到的知识应用到光子学中，并与生态系统的各个部分密切合作，例如与 Ansys Lumerical 合作，以在 PDK 中实现代工兼容、可预测的模型库，我们才能取得成功。”

Nvidia 的硅光子产品架构师 Ashkan Seyedi 补充说：“我们将电子产品视为我们的老大哥。

然而，所有小组成员的共识是，电子学和光子学之间存在一些根本差异，一方面，在 SiP 中没有等同于摩尔定律的东西，至少在我们将密度加倍和成本减半的意义上没有.。

思科首席硬件工程师、光子学领域经验丰富的资深人士 Thierry Pinguet 详细阐述道：“光子学中没有晶体管的等价物，因此没有通过改进光刻技术来提高器件密度的世代改进。光子学的世代改进来自组件和电路级设计以及组装和封装进步的创新。”

这就是为什么大多数硅光子平台都基于旧的 CMOS 技术节点。

Dennard 缩放可能已经结束，但挑战依然存在，因为该行业正面临着对高速网络/互连和加速计算的前所未有的需求。被推入摩尔定律真正难以坚持的未知领域，光子学提供了保持这一进步的机会。Seyedi 提出“是时候重新定义摩尔定律了。当我们缩小范围时，系统会不断改进。我们应该考虑扩展摩尔定律的新指标，例如封装。”

无论您如何定义摩尔定律，都存在引入新光子技术的转折点。今天，数据中心使用的是 800Gb 产品，但几年前是 400Gb 和 200Gb。有几个因素促成了整体传输容量的这种扩展，包括高阶调制格式，如由高级数字信号处理 (DSP) 技术实现的正交幅度调制 (QAM) 和大规模并行，如波分复用 (WDM)，以及组件级别的创新设计，例如分段调制器。考虑到与硅中光子寿命等物理因素相关的带宽和调制效率之间的基本权衡，设计人员正在探索前端新材料的异构集成。

封装是一个引起所有小组成员共鸣的热门话题，并提出了围绕标准化和生态系统中缺乏 IP 的挑战。考虑光纤连接，这涉及将光纤放置并粘合到精确位置的封装中，随着光纤数量的增加，最大限度地减少由于未对准造成的损失变得更具挑战性。

几十年来，社区内围绕光纤附件收集了很多常识，但许多设计师仍然花费资源开发自己的流程。“它只是没有增加内在价值。设计师希望专注于创新而不是重新发明轮子，因为没有交钥匙解决方案。今天，人们仍在创新，但我们也开始在某些领域看到一些融合。这就是英特尔推出小尺寸产品的原因，高密度可拆卸光纤连接器，具有与其他共同封装光学方法兼容的损耗，并与标准工业 PIC 和任何 2D、2.5D 或 3D 封装兼容。标准和 IP 库是光子学生态系统中的关键组成部分，是使光学成为大批量生产所必需的。” 布鲁姆说。

近年来，我们开始看到制造商不断发展，以提供用于原型设计的开放访问模型、用于研发的多项目晶圆运行，以及为那些加速商业化的供应商提供低到高产量的吞吐量。制造厂是经济驱动的，这转化为最大限度地整合到一个平台中。

“挑战在于，当今光子学行业的供应商差异化并不是基于具有 ASIC 世界中存在的 IP 块固定块的单一平台。至少现在还没有。如果您打开任何可插拔模块，它们内部看起来会有所不同，因为每个解决方案都是定制的。苛刻的应用程序要求正在推动定制设备的设计，这些设备可能不会在单一平台下提供。” Pinguet 解释道。西萨克补充道，

一方面，硅光子生态系统正在朝着流程、平台和设计自动化的标准化方向发展，尤其是对于可插拔收发器等成熟应用。另一方面，对更高性能的需求和新兴的新应用正在推动定制化并推动新材料和工艺的引入，我们仍处于早期阶段。

“随着时间的推移，我们将看到光子学转向类似 ASIC 的模型，IP 供应商和整合平台将支持大批量解决方案。但现在，我们庆祝光子设计师的创造力和才华。” 参会者总结。

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