潛能無限 光-電異質整合技術蓄勢待發

作者 : Judith Cheng,EE Times Taiwan

隨著5G、AI以及結合擴增實境(AR)/虛擬實境(VR)與精密感測的「元宇宙」等不斷崛起的新應用,對提升資料傳輸速度與頻寬的殷切需求,最具挑戰性、也擁有無窮潛力的光-電異質整合解決方案,越來越受到關注。

對於摩爾定律(Moore’s Law)何時──或者是否──走向終結的爭論還未休止,這個在過去半個多世紀推動半導體技術演進的重要力量,確實已經步伐趨緩。儘管前途艱險,工程師們仍在殫精竭慮盡力延長摩爾定律的壽命,讓CMOS製程能繼續往3奈米、1奈米,甚至再往下的埃米(Å)節點微縮;在此同時,「超越摩爾定律」(More than Moore)的創新研發也在如火如荼進行,異質整合(Heterogeneous Integration)技術在其中扮演要角。

根據由IEEE、SEMI、ASME等數個國際級學會組織訂定的異質整合技術藍圖(Heterogeneous Integration Roadmap,HIR),其基本定義是把利用不同製程個別製造的組件,整合於單一高階封裝──即3D架構的先進系統級封裝(SiP)技術──以提供強化的功能性,同時改善運作特性;那些零組件意指任何一種整合於單封裝中的單元,包括主/被動元件或者是子系統,所改善的運作特性也應有最廣泛的解釋,涵蓋系統級性能以及整體擁有成本。

技術專家們的共識是,異質整合解決方案能讓電子元件在提升功能密度的同時,也能在關鍵的功耗、性能、佔位面積與成本(PPAC)指標上有所提升,使得相關技術備受業界矚目,也陸續有一些實際產品問世。

近幾來市場對異質整合的討論多集中於以3D架構堆疊晶片的先進封裝技術本身,以及異質整合設計的驗證、測試方法;異質整合的內容則以處理器、控制器等邏輯晶片與記憶體、被動元件、RF元件為主,雖製程各異,它們仍同屬於「電子」的範疇。而隨著5G、AI以及結合擴增實境(AR)/虛擬實境(VR)與精密感測的「元宇宙」(metaverse)等不斷崛起的新應用,對提升資料傳輸速度與頻寬的殷切需求,最具挑戰性、也擁有無窮潛力的光-電異質整合解決方案,越來越受到關注。

高度「異質」技術的結合:光學+電子

「電」與「光」雖然時常相伴出現,卻是兩種物理特性完全不同的能量;分屬兩個不同領域的電子學與光學,雖然在現今的系統中有不少交集,但要讓兩種技術相互合作,必須透過一些方法進行訊號轉換,讓光學與電子元件能彼此溝通、各自發揮最大效益。光纖通訊應用就是光學與電子技術合作的最成功案例之一。

目前用於連結光纖電纜以及網路基礎設施的主流可插拔式光學引擎模組,內部除了雷射、光電二極體、調變器等光學元件,還包括重定時器(retimer)等轉換元件;然而在大數據時代,資料中心與終端使用者對更高傳輸速度與頻寬的需求,讓現有架構在功能密度、功耗、散熱管理等方面都遭遇瓶頸,難以支援邁向Tb/s等級的傳輸量。為此,能讓光學元件更靠近網路交換機ASIC的共同封裝光學元件(co-packaged optics,CPO)解決方案應運而生,

 

高速光纖通訊光學收發器技術演進藍圖。

(來源:Yole Intelligence)

 

關於CPO技術,在本期雜誌由新思科技(Synopsys)供稿的另一篇文章(「資料中心高速傳輸需求推動CPO技術熱潮」)中有更詳細的說明;簡而言之,該新興解決方案為網路通訊基礎設施以及高性能運算應用,提供單一封裝的光學I/O,目標是免除傳統可插拔光學模組中的電-光轉換程序、降低損耗,以提升頻寬並帶來更高的能源使用效益,同時也能為通訊/資料中心業者節省三成以上的電力與資料傳輸單位成本。

根據市場研究機構Yole Intelligence預測,在2020年營收規模約600萬美元的CPO市場,可望在2032年成長至22億美元,期間複合平均年成長率(CAGR)達到65%。矽光子(silicon photonics)以及衍生的光子積體電路(photonic integrated circuits,PICs)技術亦在其間扮演了推波助瀾的角色;已經逐漸邁向成熟商用化的矽光子技術,能與同樣採用矽基板的電子電路實現更高整合度,並讓CPO成本能與目前400G網路使用的可插拔光學模組競爭。

不只是光纖通訊/資料中心,光-電異質整合解決方案在精密感測裝置──例如可實現全自動駕駛車輛的光達(LiDAR)──以及仿生物視覺、神經網路、量子電腦等尖端未來科技應用上,都能發揮其優勢;然而在設計實作上,要把光學元件與電子元件整合於單一封裝,仍有許多技術難題需要克服。

光-電整合設計的挑戰才剛起步

如專精工程模擬軟體的Ansys電子和半導體事業部副總裁暨總經理John Lee所言,光學傳輸速度相當快,在設計上的要求也很高,除了光學元件設計需要精準對位,矽光子與電子元件之間的溝通特別需要考量電磁效應與訊號完整性問題;此外,矽光子對溫度相當敏感,電子元件的發熱會影響矽光子元件的性能,因此設計時的熱分析、散熱管理策略十分重要。這意味光-電整合設計不僅需要跨領域專業知識的協作,也更需要能提供有力支援的工具平台。

一直持續擴展在多物理領域技術實力的Ansys,對光-電整合設計除了能以3D電磁模擬工具HFSS提供訊號完整性的支援,亦有針對矽光子設計開發的模擬軟體Lumerical,以及可提供系統熱分析與散熱管理解決方案的Icepak,能從各方面協助工程師克服挑戰。

看好光學在醫療、車用、航太、虛擬實境等領域的成像與感測應用,Ansys還有SPEOS光學模擬軟體與近期收購的Zemax光學設計平台。John Lee並強調,與晶圓廠的合作與取得製程認證也相當重要,Ansys不久前才宣佈其多物理場解決方案獲得台積電認證,在光-電整合元件設計方面也將積極與相關晶圓代工業者合作。

EDA供應商Cadence應用工程處處長李宗穎則表示,光學與電子元件是兩套完全不同的製程技術,目前的矽光子IC雖然採用絕緣上覆矽(SOI)製程為基礎,能與電子元件有更好的整合,但在架構上還是稍有不同;因此對於工程師來說,要將光學與電子結合於設計中,會需要熟悉全新的製程。而光學元件與電子元件雖然在模擬、佈局與實作等設計流程上很類似,但以往是分別在完全不同的工具平台上進行,必須能讓兩個使用不同語言的世界能溝通並合而為一,才能實現成功的光-電整合元件。

針對光-電整合設計,Cadence是在其Virtuoso客製化設計平台上,建構整合性電子/矽光子設計自動化(electronic/photonic design automation,EPDA)環境。李宗穎指出,目前大多數的光-電整合設計,是從電子設計為出發、加入光學來提升附加價值,而Virtuoso是對電子工程師來說較熟悉的平台,因此Cadence致力於原本在其他獨立平台上進行的光學元件設計元素導入,以更有效率進行完整的光-電整合電路模擬、驗證與佈局。

李宗穎表示,Cadence已經與包括GlobalFoundries、Tower等擁有矽光子製程平台的晶圓代工廠合作,讓工程師可使用經過晶圓廠驗證的PDK進行矽光子設計;此外在電路模擬與實作方面,因為光的物理特性,光學設計佈線大多會呈現一些圓弧形狀,與傳統電子電路都是走直線或直角的差異很大,Cadence也在Virtuoso導入了名為CurvyCore的技術,讓實體佈線工程師能創建、編輯擁有複雜曲線結構的光學電路。

 

Cadence的Virtuoso平台導入CurvyCore技術,讓實體佈線工程師能在單一環境中結合如圖中具備曲線結構的光學電路,以及大多呈直線或直角的電子電路佈局。

(來源:Cadence)

 

目前Cadence以Virtuoso為基礎的EPDA環境建置第一階段已經完成,李宗穎指出,現階段的重要工作是協助客戶導入設計流程,並收集他們在實作後的意見回饋與需求,以作為未來產品進化的參考。而儘管已經有強大的設計平台可提供光-電整合設計有力支援,他認為軟體開發也會是讓光-電整合系統是否能發揮更高性能以及實現產品差異化的關鍵,例如光達等光學感測器的設計,就需要針對不同應用開發特定演算法,沒有標準答案,而Cadence期望能透過自動化工具協助工程師提升硬體設計工作的效率,投注更多精力在軟體方面的創新。

跨域技術整合需要更緊密的產業合作

要實現成功的光-電異質整合設計,並讓相關解決方案普惠更多應用,不僅需要成熟、高良率的製程,以及可充分提供支援的設計工具,也需要產業界更緊密的合作。舉例來說,為推動CPO電子與光學元件之間連結通道、通訊介面的標準化,包括Optical Internetworking Forum (OIF)、Consortium for On-Board Optics (COBO)等產業組織,已經開始收集各方意見展開相關工作,期望能加速此新技術被市場大量採用。

而除了前述種種技術挑戰,目前的光-電整合設計並未將雷射與光波導、調變器進行整合,而是仍以外掛的方式使用獨立雷射光源,未來需要進一步整合光源,以減少更多損耗與佔位空間,也能節省額外的連接器與雷射元件封裝成本。這有賴扮演關鍵角色的矽光子技術有更進一步發展,以及從材料、設計、製造、封裝、測試到系統整合的每一個流程步驟的相關廠商通力合作。

光-電異質整合技術仍在商用化的起步階段;根據Yole Intelligence研究,目前只有Meta (Facebook)、Microsoft兩家超大規模資料中心業者較積極將CPO導入基礎建設,而投入相關電-光整合元件開發的業者也僅有Intel、Marvell、Broadcom、Ranovus等幾家。但預期隨著高速通訊與AI資料中心的需求驅動,將會看到一波以CPO汰換舊有可插拔光學模組的浪潮;這將會帶來市場結構的改變、廠商的整併與新生,當然也會成為技術加速前進的動力。

同樣在初期發展階段的光達應用市場預期也會是類似情況,還有未來的量子運算以及仿生技術應用。像是PC從真空管進入電晶體架構的演變,光與電的結合已經開啟一個全新的技術疆域,而我們將繼續與所有讀者們一起見證它的擴張與成長。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年8月號

 

 

 

 

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