在虛擬化、網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算等行業(yè)趨勢的推動(dòng)下，數(shù)據(jù)量和消耗量的爆炸式增長繼續(xù)將光子解決方案推向領(lǐng)先地位。2 月 2日舉辦的DesignCon小組討論會(huì)上，來自英特爾、GlobalFoundries、Nvidia、思科和 Ayar Labs 的行業(yè)專家齊聚一堂，就光子技術(shù)的現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)和未來進(jìn)行了動(dòng)態(tài)和全面的討論和生態(tài)系統(tǒng)。

硅光子學(xué)：對速度和效率的不懈追求

面對激增的帶寬需求和通信消耗的相關(guān)功率，半導(dǎo)體行業(yè)正在對光互連技術(shù)進(jìn)行多元化投資。電氣互連在性能、范圍和功耗的可擴(kuò)展性方面從根本上受到限制。這就是光互連的優(yōu)勢所在。分析師預(yù)計(jì)，在未來 5 到 10 年內(nèi)，硅光子市場和應(yīng)用的年增長率將達(dá)到 20% 到 40%。雖然迄今為止的增長主要由數(shù)據(jù)通信和收發(fā)器市場推動(dòng)，但現(xiàn)在出現(xiàn)了令人興奮的應(yīng)用多樣化，包括 LiDAR、生物傳感、計(jì)算、新型 I/O 和量子計(jì)算等。

對光子系統(tǒng)有真正的需求，業(yè)界通過創(chuàng)建一個(gè)與電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 (EDA) 行業(yè)非常相似的生態(tài)系統(tǒng)來響應(yīng)，通常稱為電子-光子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 (EPDA)。從早期僅以 PDF 文件形式提供光子 PDK（工藝設(shè)計(jì)套件）以來，設(shè)計(jì)工具和整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步。一個(gè)值得注意的例子是高級 EPDA 設(shè)計(jì)工具，正如 James Pond 在圖 2 中強(qiáng)調(diào)的那樣，“今天我們在 EPDA 中擁有首要的工作流程。它提供了您所期望的各種功能，例如原理圖驅(qū)動(dòng)的布局、Virtuoso 布局套件和 Ansys 多物理場求解器之間的鏈接和直接橋接、制造兼容的定制設(shè)計(jì)、參數(shù)提取以創(chuàng)建準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)緊湊模型并支持 PDK 開發(fā)。

從靈活的可插拔收發(fā)器到共同封裝的光學(xué)發(fā)電站

今天，光子學(xué)已經(jīng)從公里長距離的主導(dǎo)地位下降到米長距離。我們看到可插拔光子收發(fā)器從產(chǎn)品引入階段迅速發(fā)展到每年生產(chǎn)數(shù)百萬臺(tái)?？刹灏问瞻l(fā)器是高度模塊化的，只要滿足目標(biāo)通信規(guī)范，任何供應(yīng)商都可以提供。它們直接插入前面板插座，然后信號(hào)通過電氣 SerDes 鏈路傳送到 ASIC，最終在 ASIC 中進(jìn)行計(jì)算和處理。這種方法的缺點(diǎn)是銅線連接容易受到 RF 損耗的影響，尤其是在高速通信時(shí)。

Intel Foundry Services 硅光子戰(zhàn)略負(fù)責(zé)人 Robert Blum 回憶說：“當(dāng)我們在 2016 年推出帶有可插拔收發(fā)器的 SiP 時(shí)，我們還制定了一個(gè)愿景，最終目標(biāo)是將光學(xué)器件引入處理器。SiP 是唯一可以做到這一點(diǎn)的技術(shù)。可插拔是一個(gè)起點(diǎn)，芯片到芯片的光鏈路有望緊隨其后?！?/p>

面對我們對數(shù)據(jù)永無止境的胃口，半導(dǎo)體行業(yè)面臨著跟上越來越高的帶寬、延遲和功耗需求的壓力，這些需求正在推動(dòng)創(chuàng)新解決方案，將光學(xué)元件從面板移至更靠近板載和片上的位置使用 ASIC，完全消除了對耗能 SerDes 連接的需求。

“經(jīng)過多方期待，在 2022 年，我們開始看到光纖直接連接到 ASIC 封裝而不是插入面板的光子解決方案。對于光子學(xué)來說，這是令人難以置信的激動(dòng)人心的時(shí)刻！”Pond 評論道。

現(xiàn)在想象一下，我們擁有打破當(dāng)今速度和帶寬限制的技術(shù)！這對 AI/ML 中的架構(gòu)和廣泛的新興應(yīng)用意味著什么？Ayar Labs 激光工程副總裁 Matt Sysak 描述了一個(gè)充滿無限可能的未來，“如果導(dǎo)致我們今天設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的方式發(fā)生變化，這將意味著可以自由地重新構(gòu)想計(jì)算機(jī)架構(gòu)。在 Ayar Labs，我們的愿景是讓光學(xué) I/O 無處不在，這不僅會(huì)加速計(jì)算，而且有可能重塑它?！?/p>

兩種技術(shù)的故事：電子學(xué)和光子學(xué)之間的根本區(qū)別

一方面，硅光子學(xué)的興起在很大程度上歸功于對電子行業(yè)數(shù)十年的投資和 CMOS 制造中硅晶圓加工的成熟，GlobalFoundries 硅光子學(xué)產(chǎn)品管理副總裁 Anthony Yu 進(jìn)一步解釋說， “我們繼續(xù)擴(kuò)大我們的光子代工能力，以幫助我們的客戶將光子學(xué)的優(yōu)勢帶到不同的市場。我們只有將從 CMOS 代工模型中學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用到光子學(xué)中，并與生態(tài)系統(tǒng)的各個(gè)部分密切合作，例如與 Ansys Lumerical 合作，以在 PDK 中實(shí)現(xiàn)代工兼容、可預(yù)測的模型庫，我們才能取得成功?！?/p>

Nvidia 的硅光子產(chǎn)品架構(gòu)師 Ashkan Seyedi 補(bǔ)充說：“我們將電子產(chǎn)品視為我們的老大哥。

然而，所有小組成員的共識(shí)是，電子學(xué)和光子學(xué)之間存在一些根本差異，一方面，在 SiP 中沒有等同于摩爾定律的東西，至少在我們將密度加倍和成本減半的意義上沒有.。

思科首席硬件工程師、光子學(xué)領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)豐富的資深人士 Thierry Pinguet 詳細(xì)闡述道：“光子學(xué)中沒有晶體管的等價(jià)物，因此沒有通過改進(jìn)光刻技術(shù)來提高器件密度的世代改進(jìn)。光子學(xué)的世代改進(jìn)來自組件和電路級設(shè)計(jì)以及組裝和封裝進(jìn)步的創(chuàng)新。”

這就是為什么大多數(shù)硅光子平臺(tái)都基于舊的 CMOS 技術(shù)節(jié)點(diǎn)。

Dennard 縮放可能已經(jīng)結(jié)束，但挑戰(zhàn)依然存在，因?yàn)樵撔袠I(yè)正面臨著對高速網(wǎng)絡(luò)/互連和加速計(jì)算的前所未有的需求。被推入摩爾定律真正難以堅(jiān)持的未知領(lǐng)域，光子學(xué)提供了保持這一進(jìn)步的機(jī)會(huì)。Seyedi 提出“是時(shí)候重新定義摩爾定律了。當(dāng)我們縮小范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)不斷改進(jìn)。我們應(yīng)該考慮擴(kuò)展摩爾定律的新指標(biāo)，例如封裝?！?/p>

無論您如何定義摩爾定律，都存在引入新光子技術(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。今天，數(shù)據(jù)中心使用的是 800Gb 產(chǎn)品，但幾年前是 400Gb 和 200Gb。有幾個(gè)因素促成了整體傳輸容量的這種擴(kuò)展，包括高階調(diào)制格式，如由高級數(shù)字信號(hào)處理 (DSP) 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的正交幅度調(diào)制 (QAM) 和大規(guī)模并行，如波分復(fù)用 (WDM)，以及組件級別的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，例如分段調(diào)制器?？紤]到與硅中光子壽命等物理因素相關(guān)的帶寬和調(diào)制效率之間的基本權(quán)衡，設(shè)計(jì)人員正在探索前端新材料的異構(gòu)集成。

照亮可擴(kuò)展性之路

封裝是一個(gè)引起所有小組成員共鳴的熱門話題，并提出了圍繞標(biāo)準(zhǔn)化和生態(tài)系統(tǒng)中缺乏 IP 的挑戰(zhàn)。考慮光纖連接，這涉及將光纖放置并粘合到精確位置的封裝中，隨著光纖數(shù)量的增加，最大限度地減少由于未對準(zhǔn)造成的損失變得更具挑戰(zhàn)性。

幾十年來，社區(qū)內(nèi)圍繞光纖附件收集了很多常識(shí)，但許多設(shè)計(jì)師仍然花費(fèi)資源開發(fā)自己的流程?！八皇菦]有增加內(nèi)在價(jià)值。設(shè)計(jì)師希望專注于創(chuàng)新而不是重新發(fā)明輪子，因?yàn)闆]有交鑰匙解決方案。今天，人們?nèi)栽趧?chuàng)新，但我們也開始在某些領(lǐng)域看到一些融合。這就是英特爾推出小尺寸產(chǎn)品的原因，高密度可拆卸光纖連接器，具有與其他共同封裝光學(xué)方法兼容的損耗，并與標(biāo)準(zhǔn)工業(yè) PIC 和任何 2D、2.5D 或 3D 封裝兼容。標(biāo)準(zhǔn)和 IP 庫是光子學(xué)生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，是使光學(xué)成為大批量生產(chǎn)所必需的。” 布魯姆說。

近年來，我們開始看到制造商不斷發(fā)展，以提供用于原型設(shè)計(jì)的開放訪問模型、用于研發(fā)的多項(xiàng)目晶圓運(yùn)行，以及為那些加速商業(yè)化的供應(yīng)商提供低到高產(chǎn)量的吞吐量。制造廠是經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)的，這轉(zhuǎn)化為最大限度地整合到一個(gè)平臺(tái)中。

“挑戰(zhàn)在于，當(dāng)今光子學(xué)行業(yè)的供應(yīng)商差異化并不是基于具有 ASIC 世界中存在的 IP 塊固定塊的單一平臺(tái)。至少現(xiàn)在還沒有。如果您打開任何可插拔模塊，它們內(nèi)部看起來會(huì)有所不同，因?yàn)槊總€(gè)解決方案都是定制的?？量痰膽?yīng)用程序要求正在推動(dòng)定制設(shè)備的設(shè)計(jì)，這些設(shè)備可能不會(huì)在單一平臺(tái)下提供?！?Pinguet 解釋道。西薩克補(bǔ)充道，

一方面，硅光子生態(tài)系統(tǒng)正在朝著流程、平臺(tái)和設(shè)計(jì)自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，尤其是對于可插拔收發(fā)器等成熟應(yīng)用。另一方面，對更高性能的需求和新興的新應(yīng)用正在推動(dòng)定制化并推動(dòng)新材料和工藝的引入，我們?nèi)蕴幱谠缙陔A段。

“隨著時(shí)間的推移，我們將看到光子學(xué)轉(zhuǎn)向類似 ASIC 的模型，IP 供應(yīng)商和整合平臺(tái)將支持大批量解決方案。但現(xiàn)在，我們慶祝光子設(shè)計(jì)師的創(chuàng)造力和才華?！?參會(huì)者總結(jié)。

編輯：黃飛

?