Silizium-Photonik: Die Verbindung von Optik und Digitaltechnik im RF-Prozess von GF

GlobalFoundries und das SiPh-Startup Ayar Labs arbeiten seit 2016 gemeinsam an einer monolithischen Lösung für optische In-Package-Verbindungen

"Die Photonik und die HF-CMOS-Schaltkreise auf demselben Chip zu haben, erfordert ein sehr empfindliches Gleichgewicht. Indem wir alles in Silizium integrieren, profitieren wir von der Größe, den Kosten und der Prozesskontrolle der Siliziumfertigung." - GF-Vizepräsident Anthony Yu

Von Dave Lammers

Mit der Übernahme von IBM Microelectronics im Jahr 2015 erhielt GlobalFoundries (GF) Zugang zu einem Schatz an Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Bereich der Silizium-Photonik (SiPh), die nun in die Phase der allgemeinen Verfügbarkeit auf 300-mm-Wafern übergehen. Der Hochlauf kommt rechtzeitig, um ein Single-Chip-SiPh-Design von einem wichtigen Partner, dem in Kalifornien ansässigen Startup-Unternehmen Ayar Labs, herzustellen, das ein monolithisches Design entwickelt hat, das neue Maßstäbe für Package-to-Package-Verbindungen in Bezug auf Bandbreite, Stromverbrauch und Latenzzeit setzt.

Anthony Yu, Vizepräsident des GF-Geschäftsbereichs Computing and Wired Infrastructure, sagte, GF habe die neunjährige Photonik-Forschung von IBM genutzt und den 90-nm-Prozess, bekannt als 90WG, "industrialisiert". "Wir haben ihn in Fishkill auf 300-mm-Wafern zum Laufen gebracht, und er ist jetzt in Produktion. GF hat es geschafft, sich als Großserienhersteller von Transceiver-Bauteilen zu positionieren", sagte er.

Seit mehreren Jahren stellt GF in seiner Fab 9 in der Nähe von Burlington, Vermont, mit seinem Silizium-Germanium-Prozess (9HP) Komponenten für optische Transceiver her. Diese Lösungen - Lasertreiber, Transimpedanzverstärker (TIAs) und andere diskrete Komponenten - werden in den "steckbaren" Multi-Chip-Photonik-Modulen verwendet, die in Rechenzentren und anderen Märkten eingesetzt werden, um Server-Racks über Glasfaserverbindungen über mittlere Entfernungen zu verbinden.

Optische Verbindungen werden in eine neue Phase eintreten, in der die steckbaren optischen Transceiver ersetzt werden, indem die photonische Verbindung mit einem Hochleistungs-IC im selben Gehäuseverbunden wird, wobei ein externer Laser die Lichtquelle darstellt. Dieses Gehäuse ist über Glasfaser mit einem anderen Modul mit einem photonischen Link verbunden, wodurch Gehäuse-zu-Gehäuse-Verbindungen mit hoher Geschwindigkeit und viel geringerem Stromverbrauch entstehen.

MIPO I/O (MIPO steht für monolithische In-Package-Optik) integriert die optoelektronischen Chiplets von Ayar Labs, TeraPHY genannt, in ein Multi-Chip-Package (MCP). Die MIPO I/O Chiplets von Ayar Labs befinden sich nach mehrjähriger Zusammenarbeit mit GF nun im Stadium der technischen Bemusterung. Intel, ein Pionier auf dem Gebiet der Silizium-Photonik, ist ein früher Anwender der Lösung von Ayar Labs, der zunächst seine FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays) mit anderen Modulen verbinden will.

Yu sagte, dass es zwar andere Startups in diesem Bereich gibt und die großen Rechenzentrumsunternehmen an ihren eigenen Designs arbeiten, aber Ayar Labs "einer der ersten Entwickler einer Terabit-Lösung ist. Sie sind sehr fortschrittlich und sehr kooperativ", und er fügte hinzu, dass er glaubt, dass die monolithischen Chiplets von Ayar Labs "die Branche verändern werden".

Es ist eine interessante Herausforderung, die photonischen Funktionen auf demselben Chip unterzubringen wie die elektronischen Steuerschaltungen. Die Chips vereinen die elektrische Schnittstelle, die digitalen Schaltungen und die analogen Hochgeschwindigkeits-Mischsignalschaltungen mit den optischen Komponenten auf ein und demselben Stück Silizium. "Die Photonik und die HF-CMOS-Schaltkreise auf demselben Chip zu haben, erfordert ein sehr empfindliches Gleichgewicht. Indem wir alles in Silizium integrieren, profitieren wir von der Größe, den Kosten und der Prozesskontrolle der Siliziumherstellung", sagte Yu und fügte hinzu, dass das Team von GF-Ayar Labs den Herausforderungen beim Packaging, der Montage und dem Testen große Aufmerksamkeit schenkte.

Ein Wendepunkt

Mark Wade, Präsident, CTO und Mitbegründer von Ayar Labs, sagte, das Unternehmen sei 2015 von Mitgliedern eines gemeinsamen Photonik-Projekts mehrerer Universitäten gegründet worden. Im darauffolgenden Jahr ging das Startup eine Partnerschaft mit GF ein. "Die Branche befand sich an einem Wendepunkt. Jeder erkannte die grundlegenden Grenzen der elektrischen E/A und sagte voraus, dass die Trickkiste (zur Erweiterung der elektrischen Verbindungen) jetzt leer sein würde", sagte Wade und fügte hinzu, dass 112 Gbit/s das Ende der Fahnenstange für CMOS-basierte Serdes-Verbindungen sein könnten.

Ayar Labs begann mit der Arbeit an einer neuen Lösung von Grund auf und setzte sich zum Ziel, das Bandbreitenproblem zwischen den Chips durch den Einsatz von Optik grundlegend zu lösen. Optische Verbindungen benötigen viel weniger Energie und können im Vergleich zu elektrischen Verbindungen eine viel höhere Bandbreite und geringere Latenzzeiten erreichen. Einmal in einer optischen Faser angekommen, gibt es nicht den Kompromiss zwischen Entfernung und Bandbreite, der sich bei elektrischen Verbindungen auswirkt.

[Für eine ausführliche Diskussion der Lösung von Ayar Labs siehe: Optische I/O Chiplets beseitigen Engpässe und setzen Innovationen frei]

Während Ayar Labs und GF an einer Ein-Chip-Lösung arbeiteten, die die Vorteile der Massenproduktion nutzen würde, ging den Rechenzentren die Bandbreite aus. Beim maschinellen Lernen werden beispielsweise Prozessoren, GPUs und Speicher mit hoher Bandbreite so miteinander verbunden, dass eine höhere Chip-zu-Chip-Bandbreite erforderlich ist. "Die Rechenzentren wollen physisch verteilte Maschinen mit verschiedenen Komponenten, die über Verbindungen mit sehr hoher Bandbreite miteinander verbunden sind", sagte Wade. "Sie wollen neue Arten von Systemen entwickeln, die mit der aktuellen und der nächsten Generation von E/A nicht möglich sind.

RF CMOS Vorteile

GF und Ayar Labs arbeiteten gemeinsam daran, den 45 RF SOI-Prozess von GF für die optischen Strukturen und andere Funktionen zu optimieren. Diese Technologie, die für den mmWave-Markt entwickelt wurde, wurde so modifiziert, dass sie auch photonische Funktionen enthält, und wird nun für den Bau von Prototypen verwendet.

Wade sagte, dass das SOI-CMOS-Verfahren für RF eine "Ermöglichung darstellt, da es uns erlaubt, sowohl Transistoren als auch optische Geräte in derselben planaren Schicht zu bauen. Und der SOI-Prozess ermöglicht extrem schnelle Transistoren, schneller als die meisten der heute gebauten modernen Knoten. Sie haben nicht die gleiche Dichte wie die fortschrittlichen (Bulk-CMOS-)Knoten. Aber in Bezug auf die analoge Leistung und die Ft- und Fmax-Geschwindigkeiten übertreffen sie die fortschrittlichen FinFET-Knoten, die für digitale Anwendungen verwendet werden."

Ayar Labs und GF arbeiten gemeinsam an der 45CLO genannten Silizium-Photonik-Plattform der nächsten Generation von GF, die Ayar Labs für die Serienproduktion seiner Bauteile nutzen will. "Wir arbeiten gemeinsam mit GF an mehreren Dingen, um die Arbeit, die wir in der Pilotproduktion von 45nm RF SOI geleistet haben, mit einigen Technologien und Prozessen zu kombinieren, die GF aus der IBM-F&E-Akquisition besitzt, und diese zu einem äußerst zuverlässigen und herstellbaren Prozess für unsere 45CLO-Lösung zu kombinieren", sagte Wade.

Yu von GF erklärte, dass die monolithische 45CLO-Technologie des Unternehmens in der Fab 8 in Malta, New York, hergestellt wird und die Qualifizierung des Produktionsprozesses für die zweite Hälfte des Jahres 2021 geplant ist.

Charlie Wuischpard, CEO von Ayar Labs, der vor seinem Wechsel zu Ayar Labs im November 2018 Vice President und General Manager in der Data Center Group von Intel war, sagte, dass eine der Optimierungen im 45CLO-Prozess ein Germanium-Modul ist, das "eine höhere Leistung ermöglicht und uns erlaubt, einen wirklich leistungsstarken Fotodetektor zu bauen. Wir glauben, dass das Ergebnis die beste optoelektronische Leistung in der Klasse sein wird."

Wuischpard sagte, dass integrierte optische Verbindungen dramatische Möglichkeiten in neuen Systemarchitekturen ermöglichen können. "Wir befinden uns noch in der Anfangsphase des Aufbaus einer optischen E/A innerhalb eines CPU-Pakets. Wir müssen an die Post-Exascale-Maschinen denken. Nicht an die Supercomputer von heute, sondern an die Supercomputer und KI-Systeme von morgen."

Von Punkt A nach Punkt B

Patrick Moorhead, Gründer, Präsident und Hauptanalyst des Beratungsunternehmens Moor Insights & Strategy, sagte: "Die einzige Möglichkeit, KI und maschinelles Lernen zum Laufen zu bringen, besteht darin, mehr Daten zu haben, und diese Daten müssen von Punkt A nach Punkt B gelangen, und zwar sehr schnell. Und sie müssen in vielen Fällen mit einer geringen Latenzzeit ankommen."

 Cloud-Gaming, Robotik, Roboterchirurgen, CV2X Car-to-Car- und Car-to-Network-Verbindungen, Smart Manufacturing, Mobilfunknetze und andere Anwendungen erfordern Rechenzentren, die viel größere Datenmengen verarbeiten und gleichzeitig ihren Energieverbrauch unter Kontrolle halten können. "Wir erzeugen sehr viel mehr Daten am Rande. Ob durch Mobilität, IoT oder 5G, wir werden dort draußen eine Billion Punkte haben, und viele davon gehen zurück ins Rechenzentrum", sagte Moorhead und fügte hinzu, dass wir "dank maschinellem Lernen und KI in der Lage sein werden, nützliche Dinge mit all diesen Daten zu tun."

Die Industrie hat auf die Verlangsamung der Skalierung nach dem Mooreschen Gesetz reagiert, indem sie sich der heterogenen Datenverarbeitung zuwandte und ausgeklügelte Formen des Packaging und des Chip-Stacking einsetzte. Die Silizium-Photonik könnte sich als eine attraktive Möglichkeit erweisen, einen Chip mit einem anderen zu verbinden. Photonische Verbindungen zu Speichern oder Beschleunigern mit hoher Bandbreite könnten attraktiver sein als beispielsweise die Verwendung von Siliziumdurchkontaktierungen (TSVs), die die Designflexibilität einschränken.

"Silizium-Photonik ist ein neuer Weg, um Chips miteinander kommunizieren zu lassen, und zwar über optische Verbindungen, die die gleiche Leistung wie eine PCI-Express-Karte oder ein 3D-Packaging haben. Und bei den richtigen Stückzahlen wird die Verwendung von Silizium-Photonik für die Off-Chip-Beschleunigung auf lange Sicht kostengünstiger sein", so Moorhead.

Lesen Sie denjüngsten Artikelvon Pat in Forbes darüber, wie GLOBALFOUNDRIES im Stillen zu einer treibenden Kraft in der Silizium-Photonik wurde.

Optik bringt Erleichterung

Bob Wheeler, leitender Analyst bei The Linley Group, sagte, dass der TeraPhy-Chiplet von Ayar Labs 10 optische Ports hat und die Vorteile des Wellenlängen-Multiplexing (WDM) nutzt, um die Anzahl der optischen Signale auf einer einzigen Faser zu erhöhen.

"Das hat es ihnen ermöglicht, eine große Bandbreite auf die Strandfront, die lineare Kante auf der Vorderseite des Chips, zu packen. Letzten Endes wird die Bandbreite, die man von [dem Chip] abrufen kann, zum begrenzenden Faktor, insbesondere bei einem Ethernet-Switch, bei dem man versucht, Dutzende von Terabits an- und abzurufen.

"Was sie gemacht haben, ist einzigartig in Bezug auf den Grad der Integration und WDM. Die Art und Weise, wie sie das Chiplet so klein gemacht haben, beruht auf der proprietären Technologie von Ayar Labs für die Modulatoren und Detektoren, die im Vergleich zu traditionellen Mach-Zehnder-Modulatoren ziemlich dicht gepackt sind", so Wheeler.

Jede größere technologische Umstellung braucht Zeit, und Wheeler sagte, dass optische E/A mit Ethernet-Chips der nächsten Generation beginnen und dann zu High-End-Prozessoren und ASICs migrieren könnte. "Wenn der elektrischen E/A die Puste ausgeht, ist die optische E/A die einzige, die Abhilfe schaffen kann.

Yu, Vice President bei GF, sagte, dass die Silizium-Photonik - und die dadurch ermöglichten optischen Chip-zu-Chip-Verbindungen - auch in den kommenden Jahren Plattforminnovationen und neue Lösungen vorantreiben wird. Mit seiner herausragenden Fertigungskompetenz, seinem umfassenden Fachwissen im Bereich SiPh und der aktuellen Dynamik seines monolithischen 45CLO-Prozesses ist GF in der Lage, in diesem Bereich eine führende Rolle zu spielen.

"Seit über einem Jahrzehnt wird über die Einführung der Silizium-Photonik gesprochen", so Yu. "Was für die Silizium-Photonik spricht, und was GF für sie spricht, ist die Wertschöpfung durch die Herstellung in großem Maßstab. Wir sind in der Lage, die 300-mm-Fertigung mit sehr strengen Prozesskontrollen zu nutzen, um die optischen und Siliziumfunktionen in VLSI-Lösungen zu vereinen. Wir bieten unseren Kunden die Möglichkeit, ihre Lösungen so zu skalieren, dass sie schnell auf den Markt kommen.

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