硅光，颠覆未来的关键技术
来源:电子技术应用ChinaAET发布时间:2023-06-051776浏览
询问 AI
集成电路（IC）将上亿个电晶体微缩在一片芯片上，进行各种复杂的运算。硅光子则是集成「光」路，把能导光的线路全数集中。简单来说，是在硅的平台上，将芯片中的「电讯号」转成「光讯号」，进行电与光讯号的传导。
随着科技进步迅速、计算机运算速度提升，芯片间的通讯成为计算机运算速度的关键。去年 ChatGPT 刚推出，问答过程中易出现卡顿、跳掉的状况，也和数据传输问题相关，因此 AI 技术不断升级时，维持运算速度是迎接 AI 时代的重要一环。
硅光子能提升光电传输的速度，解决目前计算机元件使用铜导线所遇到的讯号耗损及热量问题，因此台积电、英特尔等多间半导体巨头已经投入相关技术研发。
但在介绍硅光子应用与瓶颈前，我们需要先了解光电收发模块的运作：
光电收发模块如何运作？
先想象光电收发模块是类似 USB 的长方形模块，插进计算机后才能读取信息。换言之，光讯号必须先进入该模块，才能将讯号打入服务器。
传统的插拔式模块（transceiver，又称收发器）内部有许多光电元件，当光讯号进去模块里，会需要光接收器（PD，Photodetector）来接收光，之后讯号源进入模块，因为光的电流很小，需要放大器（TIA）将电流信号放大，同时把电流信号转换成电压。
电讯号进入主机后会遇到交换器（Switch），能将电讯号进行处理、转换，判断电该从哪个轨道出去，出去后经过光调变器（Optical Modulator），同时搭配雷射光源输入的情况下，将电讯号再切换成光讯号，这就是光电收发模块的概念。
硅光子和光电收发模块有什么关系？
一个光电模块包含光接收器、放大器、调变器等许多元件，过去这些元件都是个别、零散地放在 PCB 板上，但为了提升功耗、增加讯号传输速度，这些元件改成全整合到单一硅芯片上，这是硅光子的「精神」。
之所以说「精神」，是因为在硅平台上的光电讯号转换，都能算在硅光子技术范畴，过程中需克服的面向也不同。也因此，为了让读者更好理解，我们会以硅光子发展至今的每个阶段，作为分享的主轴。
集成电路下一步集成「光」路：硅光子三部曲
一、硅光子第一阶段：从传统插拔式模块升级
硅光子已默默耕耘 20 多年，传统的硅光子插拔式外型非常像 USB 界面，外接两条光纤，分别传输进去和出去的光；但插拔式模块的电讯号进入交换器前，必须走一大段路（如下图 b），在高速运算损失又多(大)，所以为了减少电损失，硅光元件改到接近服务器交换器外围的位置，缩短电流通的距离，而原本的插拔式模块只剩下光纤。
而上述这个作法，正是目前业界积极发展的「共封装光学模块」（CPO，Co-Packaged Optics）技术。主要是将电子集成电路（EIC）和光子集成电路（PIC）共同装配在同一个载板，形成芯片和模块的共同封装（即下图 d 的 CPO 光引擎），以取代光电收发模块，使光引擎更接近 CPU/GPU（即下图 d 芯片），缩减电传输路径、减少传输耗损及讯号延迟。
据了解，这项技术能降低成本，资料量传输提升 8 倍，提供 30 倍以上的算力并节省 50% 功耗。但目前芯片组的整合仍处于现在进行式，如何精进 CPO 技术，成为硅光子发展的下一个重要步骤。
二、解决 CPO 瓶颈然后呢？硅光子第二阶段：解决 CPU/GPU 对传问题
目前硅光子主要在解决插拔式模块的讯号延迟之挑战，随着技术发展，下一阶段将会是解决 CPU 和 GPU 传输的电讯号问题。学界指出，芯片传输以电讯号为主，所以下一步要让 GPU 和 CPU 透过光波导进行内部对传，将电讯号全转为光讯号，来加速 AI 运算并解决目前算力瓶颈。
三、硅光子终极第三阶段：全光网路（AON）时代来临
当技术再往下一步走，将迎接「全光网路」时代，意思是芯片间的所有对传全变成光讯号，包括随机存储、传输、交换处理等都以光讯号传递。目前日本已在硅光子导入全光网路这部分积极布局。
硅光子如何开启摩尔定律新篇章？能导入哪些应用领域？
摩尔定律预测，相同尺寸芯片中能容纳的晶体管数量，因爲制程技术推进，每 18～24 个月会增加一倍。但由于芯片是电讯号，传输会有讯号损失的问题，即使单位面积晶体管数量渐增，仍无法避免电耗损的问题。
然硅光子技术的出现，以光讯号代替电讯号进行高速资料传输，实现更高频宽和更快速度的数据处理，使芯片不需挤更多晶体管数量，不需追求更小奈米和节点，且能在现有硅制程基础上实现更高集成度、更高效能的选择，进一步推动摩尔定律的发展。
由于高频宽、小尺寸、低能耗和成本效益等优势，硅光子在通讯和高速运算领域极具发展潜力，可应用于生医感测、量子运算、机器学习、光学雷达（LiDAR）等领域。以光达为例，若未来发展到Level 4~5的无人自驾车，面对复杂的外在环境，讯号处理必须非常快速，以硅光子技术为基础的 LiDAR 感测是目前相当被看好的突破方式，这些应用潜力将带来革命性的变化，促进通信、医疗和科学等领域的技术革新，开创更智能、高效的未来。
硅光子目前技术瓶颈在哪？
目前硅光子在元件整合上仍有诸多挑战，首先是界面沟通语言问题，举例来说，半导体厂商虽然了解电的制程，但因为光子元件效能对温度和路径都很敏感，制程上线宽与线距对光讯号影响相当大，若要开发更高效的光子元件结构和制程，需要一个沟通平台，提供设计规格、材料、参数等，进行光电厂商的信息语言整合。
再者，短期硅光子用于利基型市场，各类型的封装制程与材料标准也还在陆续建立中，大多提供硅光芯片下线的晶圆代工厂都属于客制化服务，或者不方便提供给他厂使用，缺乏统一平台恐阻碍硅光子技术的发展。
除了以上提到的缺乏共通平台外，高成本制造、光源集成、元件效能、材料匹配、热效应和可靠性等也是硅光子制程瓶颈之一。随着技术的不断进步和创新，预计这些瓶颈在未来数年到十年内有望得到突破。
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