遠(yuǎn)距離通信和數(shù)據(jù)中心是光子元件的大買家，這使得技術(shù)快速發(fā)展，并打開(kāi)了新的市場(chǎng)，提供了新的機(jī)遇。該行業(yè)要適應(yīng)滿足其要求并解決集成硅光子學(xué)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和制造中的瓶頸。

　　Luxtera產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān)Brian Welch說(shuō)：「你看云計(jì)算、搜索和社交網(wǎng)絡(luò)中用到的帶寬，它們都運(yùn)行大數(shù)據(jù)中心，而且都消耗大量的帶寬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)所有其它市場(chǎng)之和。下一個(gè)可以與之媲美的是無(wú)線電5G的推出。」

　　但集成硅光子學(xué)不僅僅是帶寬了，它可以從根本上改變一些計(jì)算概念。行業(yè)剛看到這一可能。

　　硅的重要性

　　過(guò)去，光子器件是由專業(yè)晶圓廠制造的，通常基于磷化銦（InP）。Inphi的首席技術(shù)官Radha Nagarajan表示：「硅已經(jīng)可以使公司進(jìn)行更大尺寸(晶圓)制造。硅片使用8英寸或12英寸晶圓（200mm或300mm），而InP采用3英寸或最多4英寸晶圓（100mm）。兩者的制造規(guī)格不同。硅也使用制造工藝，如注入（implant）。這在硅光子學(xué)中很常用，但在InP并不常見(jiàn)，在InP中，通常通過(guò)蝕刻來(lái)形成某些結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行鈍化?！?/p>

　　Luxtera公司的Welch指出，除了成本低廉，硅光子技術(shù)的產(chǎn)量也非常高。他說(shuō)：「如果使用CMOS代工，它們的產(chǎn)量是無(wú)可比擬的。過(guò)去，緩慢的生產(chǎn)推遲了光學(xué)方案的使用。」

　　300mm的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是代工廠更有可能使用先進(jìn)的制造技術(shù)。Welch說(shuō)：「雖然光學(xué)不需要很好的光刻技術(shù)，但這并沒(méi)有壞處。與晶體管相比，這些結(jié)構(gòu)較大，而且大多光學(xué)結(jié)構(gòu)有無(wú)限的帶寬，所以它們不需要像縮小CMOS那樣縮小尺寸來(lái)提高速度。」

　　圖1：集成光子學(xué)。 來(lái)源：Luxtera

　　事實(shí)上，對(duì)光學(xué)來(lái)講討論節(jié)點(diǎn)并沒(méi)有意義。Nagarajan指出：「光子的波長(zhǎng)比電子的要大得多。這也是為什么電子產(chǎn)品可以進(jìn)入7nm節(jié)點(diǎn)，而標(biāo)準(zhǔn)硅光子器件是130nm或180nm節(jié)點(diǎn)，而且通常使用245nm光刻線。光學(xué)器件不同于電子器件，它們的相位較為敏感，側(cè)壁粗糙度和損耗很重要。當(dāng)這些成為重要因素時(shí)，重要的將不是節(jié)點(diǎn)，而是更大尺寸但更精準(zhǔn)的節(jié)點(diǎn)下，光刻和蝕刻的質(zhì)量。」

　　你可能不想使用7nm節(jié)點(diǎn)，但7nm的開(kāi)發(fā)商可能會(huì)使你動(dòng)搖。Cadence的杰出工程師Gilles Lamant指出：「我們?cè)跍p小小尺寸門的線粗糙度方面取得的所有進(jìn)展都是可行的。代工廠正在光子工藝的產(chǎn)量和控制方面進(jìn)行投資。你會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)你聽(tīng)到GlobalFoundries說(shuō)他們正在將其平臺(tái)轉(zhuǎn)向更大或更現(xiàn)代的晶圓廠時(shí)，這不僅意味著晶圓里更多的裸片，而且意味著他們的目標(biāo)是更先進(jìn)且能更好地進(jìn)行控制的設(shè)備?！?/p>

　　現(xiàn)在的問(wèn)題是光子不使用傳統(tǒng)的CMOS工藝，這限制了愿意制造（光子）器件的代工廠的數(shù)量。Welch說(shuō)：「你想使用代工廠中中現(xiàn)有的所有工具，我們希望產(chǎn)生盡可能少的偏差。我們不想要一個(gè)特殊的生產(chǎn)鏈或特殊的工具，而希望我們的晶圓和先進(jìn)的CMOS走一樣的流程。這樣我們才可以獲取理想的成本和規(guī)模。這個(gè)技術(shù)有很多的工作要做，看起來(lái)簡(jiǎn)單，但很具有挑戰(zhàn)性?！?/p>

　　還有一些挑戰(zhàn)。Nagarajan提出了一個(gè)大的挑戰(zhàn)：「你需要鍺作為探測(cè)器，純鍺的生長(zhǎng)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)?！?/p>

　　集成

　　集成是數(shù)據(jù)中心的驅(qū)動(dòng)程序。Welch說(shuō)： 「集成非常重要，因?yàn)樗梢越档统杀?。?dāng)你優(yōu)化成本或功耗時(shí)，你需要集成更多。這樣就接近switch直到最終在臨界點(diǎn)里并達(dá)到最大密度。這對(duì)銅來(lái)說(shuō)也是一樣的，過(guò)去它有分立的物理層，隨著時(shí)間的推移，它們?cè)趕witch的支持下以更高的密度集成。光學(xué)領(lǐng)域也會(huì)是這樣。」

　　在光子學(xué)中有兩種典型的集成方法，第一種使用混合die，它有CMOS裸片上的光子元件，所以CMOS晶體管和光子元件在同一襯底上。這是Luxtera采用的方法。然而，大多數(shù)人仍然在做多芯片設(shè)計(jì)，它有一個(gè)光子裸片和一個(gè)電子CMOS 裸片]。

　　西門子公司Mentor定制IC設(shè)計(jì)組的產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Chris Cone說(shuō)：「光子芯片的制造成本總體看來(lái)較低。它們是在較低的技術(shù)節(jié)點(diǎn)（如130nm或65nm）下產(chǎn)生的，光子芯片的尺寸通常更大，這意味著它們可以倒裝連接（flip-bonded），在其頂部連接一個(gè)CMOS芯片。在這個(gè)方面我們看到了很大的進(jìn)展。想象一下，CMOS芯片被倒裝在光子芯片的頂部，而且這個(gè)芯片有點(diǎn)大，可以將它用作插入器。然后你需要訪問(wèn)CMOS芯片，這需要采用某種形式的硅通孔（through-silicon vias (TSV)）來(lái)獲得電信號(hào)。

　　還有一個(gè)大的問(wèn)題是激光本身，EV集團(tuán)業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁Martin Eibelhuber說(shuō)：「一個(gè)主要問(wèn)題是有源光學(xué)元件的集成通常是基于化合物半導(dǎo)體的激光器。硅基器件無(wú)法滿足這些激光器的性能，所以需要異質(zhì)材料集成，這對(duì)標(biāo)準(zhǔn)CMOS設(shè)備來(lái)說(shuō)并不常見(jiàn)。直接晶圓連接已被證明是結(jié)合不同材料的極佳方法，以低成本實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量集成。由于幾何約束，全硅晶圓連接方法對(duì)于硅光子學(xué)不是最佳選擇，所以開(kāi)發(fā)了利用等離子體激活的直接連接的集體芯片轉(zhuǎn)移工藝?！?/p>

　　設(shè)計(jì)流程

　　為了使技術(shù)更易于使用需要工具、工藝和流程都達(dá)到一定要求。Synopsys光學(xué)解決方案集團(tuán)（Optical Solution Group）研發(fā)部門主管Tom Walker說(shuō)：「我們正在努力增加更多自動(dòng)化的同時(shí)，使光子設(shè)計(jì)變得更加抽象。這兩個(gè)因素對(duì)于幫助更多設(shè)計(jì)師開(kāi)發(fā)定制光子集成電路設(shè)計(jì)非常重要。」

　　這一切都源于PDK。Nagarajan說(shuō)：「Synopsys和Cadence都在增加這一領(lǐng)域的產(chǎn)品。Synopsys剛剛收購(gòu)了此領(lǐng)域的一家公司（PhoeniX Software）。PDK需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，與Mentor設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（Design Rule Checking，DRC）工具，用于模擬/數(shù)字仿真的Cadence工具和Synopsys的等效工具結(jié)合使用。一整套光學(xué)工具需要移植到這些流程中，這正在慢慢地發(fā)生。」

　　今年幾家代工廠宣布了PDK，然后，你可以在設(shè)計(jì)抽象化上更進(jìn)一步了。

　　Walker解釋說(shuō)：「設(shè)計(jì)過(guò)程分為不同的層次。每個(gè)層次都隱藏了底層的內(nèi)部工作，向設(shè)計(jì)師展示越來(lái)越抽象的功能。第一層對(duì)應(yīng)物理布局，這里，通過(guò)控制幾何形狀和材料屬性來(lái)創(chuàng)建定義組件和連接的結(jié)構(gòu)。上層是電路級(jí)別，通過(guò)將各個(gè)組件連接成電路來(lái)定義信號(hào)行為?！?/p>

　　在模擬領(lǐng)域，抽象的下一層次通常稱為參數(shù)化單元或PCell。Nagarajan繼續(xù)說(shuō)道：「如果你的設(shè)計(jì)主要采用基于PCell的標(biāo)準(zhǔn)代工廠，那么設(shè)計(jì)環(huán)境將適用于自動(dòng)化。你可以購(gòu)買一個(gè)IP核放入其中，如果你處于高端市場(chǎng)，那你正在設(shè)計(jì)一個(gè)往往是專家驅(qū)動(dòng)的極具沖擊力的產(chǎn)品，盡管這些工具遠(yuǎn)不及普通的電子產(chǎn)品或IP核的復(fù)雜程度，但一些代工廠已經(jīng)開(kāi)始提供PCell。」

　　設(shè)計(jì)的另一面是驗(yàn)證。Cadence的Lamant說(shuō)：「當(dāng)你談?wù)搑ack從頂部到底部或card的從左到右時(shí)，能夠進(jìn)行全系統(tǒng)仿真開(kāi)始變得非常有趣。你需要將AMS和光學(xué)模擬器結(jié)合在一起。如果沒(méi)有模擬，你只需要計(jì)劃穩(wěn)定，并投入足夠的中繼器中，但對(duì)于較短的距離，你想嘗試優(yōu)化它并盡量減少能量損耗?！?/p>

　　光學(xué)元件的集成也產(chǎn)生了一些有趣的新挑戰(zhàn)。Lamant補(bǔ)充道：「光線有反彈的趨勢(shì)，所以有前向傳播的光，但會(huì)有一定數(shù)量的光線反彈回來(lái)，而且你需要建模。這是混合光學(xué)模擬器真正有幫助的地方。如果你有通過(guò)數(shù)學(xué)模型傳播信號(hào)的方法，如Verilog-A，向后傳播需要很多額外的方程?！?/p>

　　電子和光子學(xué)聚在一起的時(shí)候出現(xiàn)了另一系列問(wèn)題。Mentor公司的Cone說(shuō)：「當(dāng)你驅(qū)動(dòng)一個(gè)光子接口時(shí)，你遇到了很多關(guān)于噪聲和大量熱量的問(wèn)題，這必須考慮在內(nèi)。沒(méi)有東西可以提供這種能力，這一切都?xì)w結(jié)為接口，它速度非?？欤悦棵霂资д孜坏乃俣冗\(yùn)行，開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)調(diào)制器上的結(jié)點(diǎn)或移相器，并產(chǎn)生一個(gè)你必須考慮的EMI簽名。同樣，從光電探測(cè)器出發(fā)，你需要一個(gè)非常敏感的輸入進(jìn)入跨阻放大器。你必須屏蔽來(lái)自電路其它部分的噪聲?！?/p>

　　這種電氣活動(dòng)及其產(chǎn)生的熱量可能會(huì)給光學(xué)器件帶來(lái)困難。Lamant指出：「只需將溫度改變1°C，你就可以看到光線相位的巨大變化。有一些很好的方法可以調(diào)整光路，雖然這可能是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，但我周圍所有電子設(shè)備的變化速度都很快地超過(guò)1°C。所以這是一個(gè)非常敏感的調(diào)整機(jī)制，也是一個(gè)大問(wèn)題。這是一個(gè)投資和研究的領(lǐng)域，我們需要以動(dòng)態(tài)的方式更好地理解熱效應(yīng)。對(duì)于電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，它通常被視為二階效應(yīng)，但對(duì)于光學(xué)來(lái)說(shuō)，散熱是一階效應(yīng)。如果你從代工廠的PDK中看元件，會(huì)看到許多熱調(diào)整組件。所以它不是到驗(yàn)證階段才可以離開(kāi)的東西，這是一個(gè)一級(jí)效應(yīng)?！?/p>

　　Lamant解釋說(shuō)光子電路需要達(dá)到熱平衡：「當(dāng)你想要零點(diǎn)和光子學(xué)中的零點(diǎn)時(shí)，你要么嘗試調(diào)整相位，要么使它們錯(cuò)位來(lái)產(chǎn)生建設(shè)性或破壞性干擾。通過(guò)加熱一些東西來(lái)調(diào)整受影響的相位偏移，從而向前或向后移動(dòng)物體?！?/p>

　　EDA正在應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。然而，Cone有一個(gè)警告：「光子學(xué)和電子學(xué)很不一樣，我們需要為他們提供解決方案以滿足他們的需求，而不是試圖使光子學(xué)那一部分遵守嚴(yán)格的EDA設(shè)計(jì)規(guī)則，這樣做是不對(duì)的。」

　　光子學(xué)未來(lái)可期

　　盡管光子學(xué)永遠(yuǎn)不會(huì)像電子學(xué)和摩爾定律那樣走上正軌，但光子行業(yè)剛剛開(kāi)始使光子電路的可能性提高。Lamant指出了MIT的一個(gè)有趣的發(fā)展：「Light Matter有一個(gè)用于機(jī)器學(xué)習(xí)中應(yīng)用矩陣系數(shù)的光子學(xué)乘法器。光子電路本身非常簡(jiǎn)單，但執(zhí)行的功能非常復(fù)雜?！?/p>

　　矩陣乘法是機(jī)器學(xué)習(xí)中性能的限制，會(huì)消耗大量的功率。對(duì)于光學(xué)等效物，它可以在消耗功率很小的情況下很快地運(yùn)行。

　　Lamant提醒道：「可能會(huì)發(fā)現(xiàn)其它的應(yīng)用。一個(gè)重要的考慮因素是數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)換成適合光學(xué)元件的形式，這需要能量。因此，一個(gè)一個(gè)需要權(quán)衡的情況是，將電子信息轉(zhuǎn)換為光使其可以在光學(xué)加速器內(nèi)消耗和處理是否值得?；蛘邔⑵溆米麟娮赢a(chǎn)品并付出更高的成本是否更好？這是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的折衷。」

　　Cone提出另一個(gè)有趣的研究線。「看看HPE實(shí)驗(yàn)室和機(jī)器，這是一種內(nèi)存驅(qū)動(dòng)計(jì)算的形式，它們提供了基于光子學(xué)的計(jì)算的未來(lái)愿景?！?/p>

　　這種發(fā)展假設(shè)在硅光子學(xué)中，你有大量節(jié)點(diǎn)通過(guò)單個(gè)光纖連接，并且它們幾乎是瞬間互相對(duì)話。Cone表示：「這改變了我們對(duì)給予電氣連接的系統(tǒng)級(jí)芯片架構(gòu)的了解。我們看到公司意識(shí)到他們不再需要使用所有架構(gòu)都是模塊化的，并且通過(guò)一些接口進(jìn)行對(duì)話的傳統(tǒng)架構(gòu)?，F(xiàn)在一切都可以在同一時(shí)間進(jìn)行對(duì)話。我們幾乎不能在表面捕捉到看到這種轉(zhuǎn)變，并將其推動(dòng)至產(chǎn)品的電氣方面?！?/p>

　　集成硅光子技術(shù)的領(lǐng)域越來(lái)越密切，必要的工具和流程正在進(jìn)入正軌。很快，該行業(yè)將得到最新穎的方式來(lái)利用它。