信息光电子“微电子化”技术进展和发展探讨

MEMS 2024-04-18 00:01

光子作为另一种主要的信息载子,具有高带宽、高速率、低功耗和高并行等特性,信息技术的继续进步必须更为倚重光子。但是,光子器件的成本、可靠性和规模生产性等方面严重落后于电子器件。因此,基于电子器件发展的历史经验,研究人员提出光电子“微电子化”,强调光电子以“集成”为发展轨道,以“光电融合”为发展方向。

据麦姆斯咨询报道,中国信息通信科技集团有限公司研究团队介绍了光电子微电子化的关键技术及其技术进展,并对其意义、挑战和产业影响进行了简要探讨。相关研究内容以“信息光电子‘微电子化’技术进展和发展探讨”为题发表在《光通信研究》期刊上。

光电子的“微电子化”发展要求

微电子是电子信息技术飞速发展的关键。1959年Feynman的《底层有足够空间(There’s Plenty of Room at the Bottom)》报告开启了微纳技术之门。微电子技术使电子器件从分立走向集成,引发数10年来基本遵从“摩尔定律”的指数级进步,带来成本、可靠性、功耗和体积等方面长达几十年的指数级改善。随着硅基电子集成工艺逼近物理极限,电子器件带宽、速率和功耗等性能难以再有数量级进步,光子因其高带宽、高速率、低功耗和高并行等特性而成为信息技术继续进步的希望。信息技术必须从“电子为主、光子为辅”迈向“电子、光子并重”(如图1所示),一方面要求光子由传输技术泛化为信息通信技术(ICT)全域的泛在连接技术,不仅进入架间、板间,还要进入板内、封装内、片内;另一方面要求光子由带宽提供技术泛化为ICT全域的硬件基础技术,从传输和连接进入计算、处理和路由等复杂功能域。

图1 信息技术发展趋势

基于对光电子器件成本、性能、体积、可靠性和规模生产等的要求,基于电子器件的历史经验,基于近10年光电子器件的发展态势,研究人员提出了光电子“微电子化”。光电子微电子化的内涵(如图2所示)是指光电子以“集成”为发展轨道,以“光电融合”为发展方向。

图2 光电子的微电子化

以光电融合为发展方向,是强调光电子的发展需与微电子的发展相互结合,通过两者的器件一体化、功能融合化来共同解决信息技术目前面临的带宽、速率和功耗等挑战,以适应数字孪生、元宇宙等应用的要求。光电融合,不仅是光电子的发展需要,也是微电子的发展需要。

光电子“微电子化”的关键技术进展

集成

光电子微电子化的集成发展轨道呈现3个主要特征:一是芯片平台硅基化,二是集成规模稳步提升,三是生产模式向fabless演进。

(1)芯片平台硅基化

光子集成可以基于多种材料体系,有源器件主要采用Ⅲ-Ⅴ族半导体(如磷化铟(InP)和砷化镓(GaAs)等),无源器件主要采用硅基二氧化硅(Silica on Silicon)、氮化硅(SiN)和高分子聚合物(Polymer)等。目前,硅光子已能制作除光源和光放大以外绝大部分有源、无源器件,并实现产业化。硅光子已有多种光源解决方案。硅是间接带隙材料,其光发射是典型的声子辅助低几率过程(复合寿命范围为毫秒量级),故发光效率很低,难以直接制备激光器。产业界主要采用以下3种光源解决方案:一是通过透镜等将外部激光耦合到硅光芯片;二是通过flip-chip bonding等方式将光源与硅光芯片混合集成;三是在硅光芯片上进行异质集成。

(2)集成规模稳步提升

不仅单个集成器件的性能水平不断提升,硅光子的集成规模也在快速增长,已有超过万个元件集成的展示,如图3所示。由于晶圆尺寸、器件尺寸和损耗等方面的差异,硅光子在集成规模上与InP等材料平台相比有多个数量级的优势。众多光器件集成到单个芯片上后,不仅体积大为减小,而且可靠性极大改善。

图3 光电子集成的规模

(3)生产模式向fabless演进

硅光子企业普遍采用fabless模式。fabless可以充分利用大规模、标准化制造的益处,是绝大多数数字电芯片企业的选择,如高通和博通等。由于硅光子的产业化优势正在于可以利用微电子行业已有的互补金属氧化物半导体(CMOS)制造产线(人才、工艺和装备等),所以除了Intel,几乎所有硅光子企业都选择fabless模式。从器件集成度和产业链成熟度来看,硅光子与微电子集成相比尚有30~40年的发展差距,以硅光子为代表的光电子集成尚处于发展早期。但随着光电子重要性的提高和应用领域的拓展,光电子将在集成轨道不断发展,形成技术进步与市场规模提升的相互促进。

光电融合

光电子微电子化的光电融合发展方向,主要有两个层面:一是芯片层面,二是系统层面。

(1)芯片层面光电融合

芯片层面光电融合是近几年的发展重点,目前有光电单片集成和光电混合集成两种方式。

光电单片集成是较为理想化的芯片光电融合方式。Somekh和Yarive早在1972年就提出可将光、电器件集成到同一半导体衬底,但困难重重。由于微电子主要基于硅材料,在硅光子能够实现绝大部分光器件后,业界开始探索硅基单片光电集成。图4所示为Sicoya公司100 Gbit/s光收发芯片,将光器件(包括光栅耦合器、光探测器、光调制器和光波导等)和电器件(驱动器、时钟恢复单元、跨阻放大器和控制器等)全部集成到一个硅基芯片上。

图4 Sicoya公司的单片光电集成100 Gbit/s收发芯片

光电混合集成采用先进封装工艺,将分别制作的光芯片、电芯片以2D、2.5D和3D等方式封装为一个整体,近期发展较快。光电共封装(CPO)是将光芯片与相应电芯片进行一体化封装。由于和芯粒(chiplet)这一微电子当前热点技术的理念相一致,CPO技术进步较快。除了应用于相干光通信的电、光芯片集成,当前CPO主要聚焦于将光收发芯片与所服务的电处理芯片进行一体化封装,以破除功能愈来愈强大的电芯片受制于性能无法同步提升的电输入/输出(I/O)的窘境。芯片层面光电融合,不仅可以有效解决微距高速互联的时延和功耗问题,而且推动芯片从单一功能向多功能乃至智能化演进,并向新的应用(比如人工智能加速、微波光子和光量子信息等)快速渗透和裂变。

图5 交换引擎光收发的演进

(2)系统层面光电融合

系统层面光电融合,既包括基于光电融合的器件来重构系统设备,也包括基于光电融合的功能来重构信息系统。前者比如美国国防部高级研究计划局的项目极端可扩展性的封装内光子(PIPES)技术,其目标通过将光子I/O嵌入处理器芯片所带来的极端可扩展能力(I/O带宽提高100倍,功耗降低到1/100,距离提升10 000倍)消除数据电互联对计算设备构建的空间限制,日本也有类似的Disaggregated Computing研究。后者比如将光信号处理优势与电射频结合的太赫兹通信系统,比如发挥光计算长处与电计算进行功能协作的大算力和低功耗计算系统(如图6所示)。

图6 硅基光电计算初级系统

光电子“微电子化”的意义、挑战和影响

光电子的“微电子化”,意味着光电子和微电子的深度交融,并使光子在信息领域逐渐具备与电子类似的重要地位,对于信息技术继续进步具有显著意义。由于光电子“微电子化”尚处于发展早期,光电子集成在装备和工艺节点要求等方面存在特殊性,这在某种程度上为中国打破信息技术领域长期以来的被动跟随局面提供了难得机遇。

在发展上,光电子既要“微电子化”,也要注意克服僵化思维,不能试图把微电子发展历程照搬到光电子,不能无视由于光电子和微电子必然存在的差异所导致的挑战。

光电子“微电子化”,不仅是一种技术发展指引,还将对光电子产业发展形成重要影响,甚至引发产业重塑。比如,信息光电子器件市场规模会有数量级跃升吗?信息光电子器件的行业地位可能质变吗?信息光电子集成制造会成为信息光电子器件产业链的牛耳和高利润环节吗?信息光电子器件会否从自由竞争进入垄断竞争阶段?信息光电子器件还会作为产品单独存在吗?

总结

微电子是电子信息技术广泛应用、快速进步的关键。随着电子信息技术遭遇带宽和能耗等方面的严峻挑战,光子技术需要发挥自身优势成为信息技术继续进步的支撑。借鉴电子技术的成功经验,信息领域的光电子“微电子化”已经发生。文章阐述了对光电子“微电子化”的理解,介绍了相关技术进展,并探讨了光电子“微电子化”对产业发展可能形成的影响。

论文信息:

DOI: 10.13756/j.gtxyj.2023.06.001

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