硅光，大勢所趨

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光纖傳輸信號的速度和效率都優于銅線，因此成為全球電信網絡的首選材料。在較短距離的傳輸中——例如機架之間或數據中心的電路板之間——設計人員希望縮小光器件的體積，以充分發揮光纖的節能優勢。

人工智能工作負載與其他高性能計算工作負載的不同之處在于其所需的數據傳輸量。LLM 查詢在終端用戶和數據中心之間傳輸的信息量可能與傳統搜索查詢相同（“南北向流量”），但它需要在數據中心內部進行更多的數據傳輸（“東西向流量”）。GPU 集群以及單個 GPU 都會對非常大的數據數組執行相對簡單的乘法和加法運算。但所需的帶寬限制了整體性能，并且是功耗的主要來源。

去年被 AMD 收購的硅光子學初創公司 Enosemi 在一份白皮書中估計，領先的高性能 ASIC 芯片將高達一半的總功耗用于數據傳輸。

GlobalFoundries首席商務官Mike Hogan指出，有四個關鍵指標決定互連效率：

• 有效距離，即信號無需放大即可傳播的距離；

• 帶寬密度，以每面積比特數衡量；

• 能量效率，以每單位能量的比特數來衡量，

• 計算效率，即計算資源的總體利用率。

在短距離傳輸中，光器件相對較大的尺寸限制了帶寬密度。為了充分發揮光子互連的節能優勢，光器件及其連接的電子電路都需要縮小尺寸。

為此，設計人員正在考慮三種可能的解決方案。第一種是可插拔組件，這種組件尺寸相對較大，模塊化設計，易于集成。但由于其尺寸較大，需要較長的連接線才能連接到控制電子元件。可插拔組件最適合用于電路板之間、機架之間或數據中心內部的連接。

其次是共封裝光學器件（CPO），顧名思義，它將分立的光學元件與電子控制電路集成在一起，通常通過引線鍵合連接。第三種是光輸入/輸出（OIO）模塊，它將光學和電子集成電路集成到一個單元中，使其能夠像單個器件一樣高效運行。

光子互連的基本組成單元無論尺寸大小都很簡單。首先，它們需要一個光源。在數據中心級別的距離上，這通常是磷化銦二極管激光器。激光器本身的特性決定了它們必須比無源光學元件承受更高的電流和溫度，因此它們很可能是光子電路中最不可靠的元件。對于集成模塊而言，在封裝前識別出已知性能良好的激光器至關重要。但可插拔元件的一大優勢在于能夠輕松更換故障激光器。

調制器將激光器的連續發射信號分解成數據比特流。調制器還決定了數據傳輸速率。根據imec公司的Joris Van Campenhout在12月IEEE電子器件會議上發表的研究成果，目前，鈮酸鋰（LiNbO?）等材料可以實現超過100 GHz的帶寬，并具有高效率和低損耗。然而，它們體積較大且存在鋰污染的風險，因此不適合與硅直接集成。

新加坡的研究人員利用微轉移印刷技術將圖案化的鈮酸鋰調制器轉移到硅襯底上。[3] 微轉移印刷技術使用PDMS印章將單個器件從生長晶圓上拾取并放置到目標襯底上，從而避免了直接在硅上生長所帶來的污染風險。然而，CPO和OIO應用通常還是會選擇硅諧振器。硅諧振器利用加熱器來調節摻雜硅環的折射率。

NLM Photonics 首席執行官 Brad Booth 指出，硅并非一種高效的調制器。目前，人們仍在尋找替代方案。NLM 的解決方案是將一種發色團嵌入到小分子有機玻璃中。通過加工工藝，可以排列發色團的偶極子，并通過相鄰的硅組件進行切換。

調制器完成調制后，信號通過波導傳播至光電探測器。在目標波長范圍內，硅是一種優異的低損耗波導材料。集成模塊（包括CPO和OIO）均采用硅或有機中介層，其中可能包含光子元件。鍺是理想的光電探測器材料。

最后，電路需要某種形式的耦合，將光從激光器傳輸到波導，再從波導傳輸到光電探測器。耦合器負責在折射率不同的材料之間傳輸光，值得注意的是，耦合損耗可能占整個系統損耗的很大一部分。根據具體情況，耦合器可以簡單地將光纖靠近光源，使用聚合物來跨越間隙，或者采用其他多種替代方案。無論采用何種設計，耦合都不應引入光學缺陷，并且應提供折射率的漸變過渡。漢陽大學的 Keuntae Baek 及其同事撰寫的一篇綜述詳細討論了耦合問題。

雖然這些基本單元構成了一條端到端的光路，但它們本身并不“智能”。光路仍然需要控制電子設備來操作調制器、處理來自光電探測器的信號等等。設計人員可以通過縮短控制電子設備與光學元件之間的距離來提高性能并降低功耗。

電光集成

縮短互連距離是異構集成的總體目標。集成光學器件遇到的許多問題也適用于其他類型的先進封裝。異構封裝中的各個組件通常采用成熟的技術。真正的挑戰在于如何以經濟高效的方式將它們連接起來。

將電子元件和光學元件結合起來也帶來了一些新的問題。例如，CEA-Leti 的研究人員將波導和其他硅光子元件嵌入到硅中介層中。這種中介層需要一條通往其表面激光器和光電探測器的光路。它還需要硅通孔來連接調制器，并且可能還需要連接到封裝底部。

但這些元件產生的機械應力會導致光學畸變，進而造成光損耗，因此，中介層和組合封裝的設計工具必須能夠模擬熱應力和機械應力帶來的光學和電學效應。“我們必須制定自己的設計規則來混合使用光學和電子元件，”研發項目負責人Jean Charbonnier指出。

對于調制器而言，加熱器控制諧振頻率。該研究小組通過對加熱器進行熱隔離，節省了大量能源。

此外，還會出現其他問題。雖然光電探測器所需的鍺可以直接在硅上生長，但它們所需的厚鍺層與先進晶體管中使用的薄硅鍺納米片無法相提并論。在這種應用中，外延鍺沉積可能占到整個電路成本的 40%。

在研究應用中，磷化銦激光器通常單獨生長，然后通過微轉移印刷技術轉移到中介層上。一次處理少量激光器可提供最大的靈活性，并有助于確保只轉移已知性能良好的激光器。對于商業規模的集成，NTT 的 S. Matsuo 及其同事展示了將 InP 晶圓鍵合到硅晶圓上，然后原位生長 InGaAsP 激光器。

電路的電子部分可以在傳統的CMOS晶圓廠制造，并通過銅混合鍵合技術連接到中介層。同樣，這里也需要考慮光學元件所受到的熱應力和機械應力。

盡管要開發出能夠隨著硅電路擴展而擴展的全集成光子互連技術仍有許多工作要做，但對于最終目標卻鮮有爭議。“計算設備供應商、網絡領導者和硅芯片供應商之間有著高度共識，”霍根表示，“擴展東西向流量需要光互連。”

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https://semiengineering.com/silicon-photonics-lights-the-way-to-more-efficient-data-centers/

（來源：semiengineering）

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