硅光子学。在GF的射频工艺上实现光学和数字的结合

GlobalFoundries和SiPh初创公司Ayar Labs自2016年以来一直在合作开发用于封装内光互连的单片式解决方案

"将光子学和射频CMOS电路放在同一个芯片上，需要一个非常微妙的平衡。通过将其全部集成到硅中，我们正在利用硅制造的规模、成本和工艺控制的优势。"- GF副总裁Anthony Yu

作者：Dave Lammers

当GlobalFoundries（GF）在2015年收购IBM微电子公司时，它获得了硅光子学（SiPh）的研发宝库，这些工作现在正进入300毫米晶圆上的普遍供应阶段。这一提升来得及时，一个重要的合作伙伴--位于加州的初创公司Ayar Labs--提供了一个单芯片SiPh设计，该设计在带宽、功耗和延迟方面为封装到封装的互连设定了新的基准。

GF计算和有线基础设施业务部副总裁Anthony Yu说，GF利用IBM九年的光子学研究，将被称为90WG的90纳米工艺 "工业化"。"我们在Fishkill的300毫米晶圆上使其发挥作用，现在已经投入生产。 他说："GF所做的是将自己定位为收发器部件的大批量生产商。

几年来，GF一直在佛蒙特州伯灵顿附近的9号工厂用硅锗工艺（9HP）制造光收发器的组件。这些解决方案--激光驱动器、跨阻抗放大器（TIA）和其他分立元件--被用于数据中心和其他市场中的 "可插拔 "多芯片光子模块，通过光纤链接在中距离上连接服务器机架。

光连接将进入一个新的阶段，在这个阶段，可插拔的光收发器将被连接到 同一封装的高性能IC上的光子学链接所取代 ，由外部激光器提供光源。该封装通过光纤连接到另一个带有光子链路的模块，以高速和更低的功耗创造出封装到封装的互连。

MIPO被称为单片封装光学的MIPO，MIPO I/O将Ayar实验室的光电子芯片（名为TeraPHY）整合到多芯片封装（MCP）内。Ayar实验室的MIPO I/O芯片经过与GF公司几年的合作，目前已进入工程样品阶段。英特尔是硅光子学领域的先驱，是Ayar实验室解决方案的早期采用者，其初步目标是将其FPGA（现场可编程门阵列）与其他模块连接起来。

Yu说，虽然该领域还有其他初创公司，巨型数据中心公司也在进行自己的设计，但Ayar实验室是 "太比特解决方案的早期设计者之一。他们非常进步，而且高度合作，"他补充说，他相信Ayar实验室的单片机是 "一个改变行业游戏规则的产品"。

将光子学功能与电子控制电路放在同一芯片上是一个有趣的挑战。这些芯片将电气接口、数字电路和高速模拟混合信号电路与光学元件结合在同一块硅片上。"将光子学和射频CMOS电路放在同一芯片上需要一个非常微妙的平衡。通过将其全部集成到硅中，我们正在利用硅制造的规模、成本和工艺控制，"Yu说，并补充说GF-Ayar实验室团队密切关注封装、装配和测试中固有的挑战。

一个转折点

Ayar实验室的总裁、首席技术官和联合创始人Mark Wade说，该公司是由一个多大学合作的光子学项目的成员于2015年创建的。第二年，这家初创公司与GF建立了合作关系。"这个行业正处于拐点。每个人都看到了电气I/O的基本限制，并预测（扩展电气互连）的袋子现在就会空空如也，"Wade说，并补充说112 Gbps可能是基于CMOS的Serdes连接的终点。

Ayar实验室开始从头开始研究新的解决方案，将目光投向利用光学技术从根本上解决芯片到芯片的带宽问题。与电气互连相比，光学需要的能量要少得多，并且可以实现更高的带宽和更低的延迟。一旦进入光纤，它就不会受到影响电气互连的距离/带宽的折腾。

[关于Ayar实验室解决方案的详细讨论，见。光学I/O芯片消除了瓶颈，释放了创新] 。

当Ayar实验室和GF公司正在研究一种能够利用大批量制造的单芯片解决方案时，数据中心的带宽正在耗尽。例如，机器学习涉及连接处理器和GPU以及高带宽内存的方式，需要更高的芯片到芯片的带宽。"韦德说："数据中心想要物理分布式的机器，使用各种组件与非常高的带宽互连起来。"他们希望构建新型的系统，这是当前和下一代I/O所无法做到的。"

射频CMOS的优势

GF和Ayar实验室合作研究如何优化GF的45射频SOI工艺，以实现光学结构和其他功能。该技术是为毫米波市场开发的，经过修改后包括了光子功能，目前正被用于制造原型。

Wade说，RF SOI CMOS是一个 "有利的东西，因为它使我们能够在同一平面层中同时建造晶体管和光学器件。而且，SOI工艺能够实现极快的晶体管，比今天建造的大多数先进节点都快。他们没有先进的（bulk CMOS）节点那样的密度。但就模拟性能、Ft和Fmax速度而言，它们超过了人们用于数字的先进FinFET节点。"

Ayar实验室和GF正在合作开发GF的下一代硅光子学平台，称为45CLO，Ayar实验室计划将其用于零件的批量生产。"韦德说："我们正在与GF合作开展几项工作，把我们在45纳米射频SOI试生产中所做的工作，与GF在收购IBM研发部门时拥有的一些技术和工艺结合起来，并把这些技术和工艺混合起来，建立一个高度可靠和可制造的工艺，以建立我们在45CLO的解决方案。

GF的Yu说，该公司的45CLO单片技术将在纽约马耳他的Fab 8生产，并计划在2021年下半年对其生产过程进行鉴定。

Ayar实验室首席执行官Charlie Wuischpard在2018年11月加入Ayar实验室之前是英特尔数据中心集团的副总裁兼总经理，他说45CLO工艺中的一项优化是锗模块，"将实现更高的性能，使我们能够建立一个真正高性能的光探测器。我们认为其结果将是一流的光电性能"。

Wuischpard说，集成光互连可以在新的系统架构中实现巨大的功能。"我们仍然处于在CPU封装内构建光学I/O的早期阶段。我们需要考虑后级别的机器。不是今天的超级计算机，而是明天的超级计算机和人工智能系统。"

从A点到B点

咨询公司Moor Insights & Strategy的创始人、总裁和首席分析师Patrick Moorhead说，"你能让人工智能和机器学习发挥作用的唯一方法是拥有更多的数据，而这些数据必须从A点到达B点，而且必须非常迅速。在许多情况下，它必须以低延迟到达那里。"

 云游戏、机器人、机器人外科医生、CV2X车对车和车对网络链接、智能制造、蜂窝网络和其他应用，要求数据中心处理更大的数据量，同时控制其能源消耗。"我们正在边缘地区创造更多的数据。无论是由移动性、物联网还是5G驱动，我们将有一万亿个点在那里，而其中许多都要回到数据中心，"Moorhead说，并补充说，正是 "由于机器学习和人工智能，我们将能够用所有这些数据做有用的事情。"

业界对摩尔定律扩展速度放缓的反应是转向异质计算，使用巧妙的封装和芯片堆叠形式。作为连接一个芯片和另一个芯片的方式，硅光子学可能被证明是一个有吸引力的选择。与高带宽内存或加速器的光子链接可能比使用通硅孔（TSVs）更有吸引力，因为后者限制了设计的灵活性。

"硅光子学是一种让芯片相互交谈的新方式，使用的是与PCI Express卡或3D封装具有相同性能的光链接。Moorhead说："而且在合适的数量下，使用硅光子学进行片外加速，从长远来看，成本会更低。

请阅读帕特 最近在《福布斯》上发表的文章，了解GLOBALFOUNDRIES如何悄然成为硅光子学的一支力量。

光学提供了一些救济

The Linley Group的首席分析师Bob Wheeler说，Ayar实验室的TeraPhy芯片有10个光端口，并利用波分复用（WDM）的优势来增加单一光纤上的光信号数量。

"这使他们能够将大量的带宽打包在海滩前沿，即芯片表面的线性边缘。在一天结束时，你能从[芯片]上获得多少带宽成为限制因素，特别是对于一个以太网交换机来说，你正试图获得几十兆比特的开销。

"他们所做的事情在集成度和波分复用方面是独一无二的。惠勒说："他们是如何实现的，使芯片如此之小，来自于Ayar实验室的调制器和检测器的专利技术，与传统的马赫-泽恩德调制器相比，它是相当紧密的。

任何重大的技术转型都需要时间，Wheeler说光I/O可以从下一代以太网芯片开始，然后迁移到高端处理器和ASIC。"当电气I/O耗尽时，光I/O是唯一能提供一些救济的。"

GF副总裁Yu说，硅光子技术--以及它所实现的芯片到芯片的光学连接--将在未来几年继续推动平台创新和新解决方案。凭借其卓越的制造能力、在硅光子领域的深厚专业知识，以及目前45CLO单片工艺的发展势头，GF有能力成为这一领域的行业领导者。

"人们讨论引入硅光子技术已经有十多年了，"Yu说。"硅光子学的优势，也是GF的优势，是通过大规模的制造带来价值。我们有能力利用300毫米的制造，通过非常严格的工艺控制，在VLSI解决方案中结合光学和硅功能。我们为我们的客户带来了扩大其解决方案的能力，以实现快速吸收。"

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