Was ist Silizium-Photonik-Technologie?

Silizium-Photonik-Technologie: Führend in der optischen Revolution auf Chipebene bei Hochgeschwindigkeitsverbindungen

I. Was ist Silizium-Photonik-Technologie?

Die Silicon Photonics Technology, auch bekannt als Siliziumphotonik, ist eine Spitzentechnologie, die ausgereifte Halbleiterprozesse auf Siliziumbasis nutzt, um optoelektronische Geräte auf Chips zu integrieren und so die Übertragung, Verarbeitung und Berechnung von Informationen mithilfe optischer Signale zu ermöglichen.

Die Kernvision besteht darin, miniaturisierte „optische Pfadsysteme“ auf Siliziumwafern zu konstruieren, die Licht als Ersatz oder Unterstützung für Elektrizität nutzen und so die Geschwindigkeits- und Stromverbrauchsengpässe herkömmlicher elektrischer Verbindungen überwinden.

Um die Silizium-Photonik-Technologie zu verstehen, muss man sich nur die folgenden drei Kernpunkte klarmachen:

1. Die materielle Grundlage: Allgegenwärtiges Silizium

Die Silizium-Photonik-Technologie verwendet Silizium als Kernmaterial, was zwei inhärente Vorteile bietet:

• Kostenvorteil : Silizium ist das zweithäufigste Element in der Erdkruste, wodurch die Rohstoffkosten deutlich niedriger sind als bei herkömmlichen optischen Kommunikationsmaterialien wie Indiumphosphid und Galliumarsenid (III-V-Verbindungen).

• Ökosystemvorteil : Über 90 % der weltweit integrierten Schaltkreise basieren auf Silizium-CMOS-Prozessen. Das bedeutet, dass die Silizium-Photonik-Technologie die bestehende, umfangreiche, fortschrittliche und kontinuierlich kostenoptimierte Halbleiter-Lieferkette direkt nutzen kann, ohne dass neue Produktionslinien von Grund auf neu aufgebaut werden müssen.

Mit der Weiterentwicklung der Technologie und der Ausweitung der Produktion dürften die Kosten für Silizium-Photonikchips weiter sinken.

2. Der technische Schlüssel: Extreme Integration

Herkömmliche optische Module werden „zusammengebaut“. Einzelne Geräte wie Laser, Modulatoren und Detektoren müssen zunächst separat hergestellt und dann durch komplexe Verpackungsprozesse miteinander verbunden werden.

Im Gegensatz dazu nutzt die Silizium-Photonik-Technologie das  CMOS-Verfahren ,  um  eine monolithische Integration  verschiedener optischer Bauelemente auf einem einzigen Siliziumsubstrat zu erreichen. Dies ist vergleichbar mit der Verwandlung verstreuter „Innenhöfe“ in dichte „Wolkenkratzer“. Optische Signale können effizient innerhalb des Chips fließen, was die Integrationsdichte deutlich erhöht. Dieser Vorteil ist entscheidend für optische Module in Rechenzentren, die auf hohe Bandbreite und geringe Größe abzielen.

3. Der grundlegende Treiber: Die inhärenten Vorteile optischer Signale

Bei der Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung über kurze Distanzen sind elektrische Signale mit Herausforderungen wie steigendem Stromverbrauch, Geschwindigkeitsengpässen und elektromagnetischen Störungen konfrontiert.

Optische Signale besitzen jedoch inhärente Eigenschaften wie hohe Bandbreite, geringe Latenz, geringen Stromverbrauch und Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen.

Das Wesentliche an der Silizium-Photonik-Technologie ist die perfekte Verschmelzung der Leistungsvorteile optischer Signale mit den Herstellungsvorteilen des Siliziummaterials.

II. Der Inbegriff der Silizium-Photonik-Technologie: Der Silizium-Photonik-Transceiver

Der Silizium-Photonik- Transceiver ist die typischste und ausgereifteste Produktform der Silizium-Photonik-Technologie. Es handelt sich im Wesentlichen um eine neue Generation optischer Kommunikationsmodule, die Silizium-Photonik-Chips verwenden und die oben genannten hohen Integrationseigenschaften direkt verkörpern.

Schematische Darstellung eines optischen Transceivers

Wesentlicher Unterschied zu herkömmlichen optischen Modulen:

• Herkömmliche optische Module : Verwenden Sie diskrete Verpackungen, indem Sie mehrere unabhängig voneinander hergestellte optische Geräte „zusammenfügen“.

• Silizium-Photonik-Transceiver : Integrieren Sie passive und aktive Geräte wie Wellenleiter, Modulatoren und Detektoren auf einem  einzigen Chip und realisieren Sie so ein „optisches Pfadsystem“ auf Chipebene.

Dieser grundlegende strukturelle Unterschied bringt erhebliche Vorteile für Silizium-Photonik-Transceiver mit sich:

• Hohe Integrationsdichte : Erreicht eine photonische Integration auf Chipebene und bildet die Grundlage für die „photoelektrische Fusion“.

• Kostenpotenzial : Siliziummaterial ist billig und die Kompatibilität mit CMOS-Prozessen ermöglicht die Genetik für eine kostengünstige Fertigung im großen Maßstab.

• Geringer Stromverbrauch : Hohe Integration reduziert den Energieverlust durch Verbindungen zwischen Geräten und Komponenten wie TECs sind oft nicht erforderlich.

• Hohe Bandbreitendichte : Eine geringere Größe bedeutet, dass mehr Ports auf der gleichen Gerätetafelfläche eingesetzt werden können, wodurch die Gesamtbandbreitenkapazität erhöht wird.

Beispiel eines optischen 100-Gbit/s-Moduls auf Siliziumphotonikbasis

III. Chancen und Herausforderungen: Der aktuelle Stand der Silizium-Photonik-Transceiver

Trotz der rasanten Entwicklung stehen Silizium-Photonik-Transceiver noch immer vor mehreren zentralen Herausforderungen, die insbesondere auf der technischen Ebene, der Fertigung und dem industriellen Ökosystem im Vordergrund stehen:

1. Grundlegende technische Herausforderungen

• Herausforderung bei der Integration von Lichtquellen : Silizium ist ein Material mit indirekter Bandlücke und kann selbst kein effizientes Licht emittieren. Module sind auf externe Laser aus III-V-Materialien (z. B. Indiumphosphid) angewiesen. Die effiziente Integration des Lasers auf dem Silizium-Photonikchip mit hoher Effizienz, geringen Verlusten und hoher Ausrichtungsgenauigkeit ist seit langem ein technischer Engpass. Gängige Techniken wie Waferbonden und diskrete Montage müssen hinsichtlich Prozesskomplexität und Produktionsausbeute für die Massenproduktion noch verbessert werden.

• Leistungseinbußen : Siliziumbasierte Modulatoren weisen im Vergleich zu herkömmlichen Indiumphosphid- oder Lithiumniobat-Modulatoren immer noch Leistungslücken in Bezug auf Bandbreite, Antriebsspannung und Linearität auf. So ist beispielsweise die Erzielung einer hohen Effizienz und eines niedrigen Stromverbrauchs ein wichtiger technischer Schwerpunkt bei der Hochgeschwindigkeitsmodulation mit über 200 Gbit/s pro Kanal.

• Signalübertragungsverlust und Wärmemanagement : Der Übertragungsverlust von Silizium-Wellenleitern und der Kopplungsverlust zwischen Glasfasern und nanoskaligen Silizium-Wellenleitern sind Schlüsselfaktoren für die Modulleistung. Darüber hinaus stellt der erhebliche Einfluss der Temperatur auf die Geräteleistung und die Wellenlängenstabilität eine Herausforderung für die langfristige Systemzuverlässigkeit in Umgebungen mit Temperaturschwankungen, wie z. B. Rechenzentren, dar.

2. Herausforderungen hinsichtlich der Reife der Fertigung und Lieferkette

• Prozesskomplexität und Ertragssteigerung : Silizium-Photonik-Prozesse beinhalten die komplexe Integration mehrerer optischer und elektrischer Domänen, was zu einer hohen Fertigungskomplexität führt. Im Vergleich zur Herstellung ausgereifter CMOS-Logikchips befindet sich die Silizium-Photonik-Prozesstechnologie noch in der Entwicklungsphase. Die Verbesserung von Ertrag und Zuverlässigkeit bleibt eine Herausforderung. Beispielsweise kann in Rechenzentrumsumgebungen, in denen Temperatur und Luftfeuchtigkeit je nach Jahreszeit und Gerätezustand häufig schwanken, eine unzureichende Zuverlässigkeit von Silizium-Photonik-Geräten zu Leistungseinbußen, Ausfällen oder Schäden führen und so die Stabilität des gesamten Rechenzentrumsnetzwerks beeinträchtigen.

• Begrenzte Ressourcen für die High-End-Fertigung : Große Fertigungsunternehmen wie IMEC und TSMC bieten zwar Dienstleistungen für die Herstellung von Silizium-Photonik an, ihre Kapazitäten und ihr Supportniveau liegen jedoch noch hinter denen für herkömmliche elektronische Chips zurück. Ausgereifte Process Design Kits (PDKs) und standardisierte Fertigungsabläufe sind für die skalierte Produktion von entscheidender Bedeutung, werden aber noch optimiert.

• Komplexer Testprozess und hohe Kosten : Der Testprozess für optoelektronische Chips ist von Natur aus komplex, kostspielig, umfasst zahlreiche Fertigungsschritte, weist eine hohe Prozesskomplexität auf und weist hohe Ausschussraten auf. Vortests und Screening auf Waferebene verursachen zusätzliche Prozessschritte und Kosten.

Mehrere Silizium-Photonik-Geräte auf einem einzigen Wafer, verarbeitet in einer kommerziellen Halbleiterfabrik

3. Herausforderungen im industriellen Ökosystem und bei der Standardisierung

• Unterschiedliche technische Wege, fehlende Standards : Im Vergleich zu herkömmlichen optischen Modulen sind Silizium-Photonik-Transceiver weniger standardisiert und die industrielle Reife muss verbessert werden. Der Bereich der Silizium-Photonik weist eine erhebliche technische Vielfalt auf. Verschiedene Kunden wählen oft einzigartige technische Wege, von der Wahl des Faser-Arrays (z. B. 250-µm- vs. 127-µm-Faser-Arrays) über Unterschiede bei den Wellenleitertypen (z. B. Si-Wellenleiter vs. SiN-Wellenleiter) bis hin zu einer großen Vielfalt an Komponenten wie Fotodetektoren und Modulatoren (z. B. Ge-Fotodetektoren, MZM, MRM). Jede Komponente erfordert eine individuelle Validierung ihrer Leistung und Zuverlässigkeit, was die Industrialisierung der Silizium-Photonik-Technologie erheblich erschwert und die Massenproduktion und -einführung behindert.

• Neue Herausforderungen mit der CPO-Technologie : Co-Packaged Optics (CPO) ist zwar vielversprechend, doch neben den Herausforderungen bei der Herstellung und dem Ziel, den Stromverbrauch zu senken, müssen Endnutzer CPO als effektive Lösung zur kontinuierlichen Kostensenkung akzeptieren. Die ersten Produkte basieren auf proprietären Designs, was für große Cloud-Unternehmen, die in der Regel ihre eigenen Server, Switches und sämtliche Verbindungslösungen entwickeln, eine erhebliche Akzeptanzbarriere darstellen kann. Der Aufbau eines wettbewerbsfähigen Ökosystems, das den großflächigen Einsatz von CPO unterstützt, braucht noch Zeit.

IV. Anwendungsszenarien und Entwicklungstrends

Zusammenhang zwischen elektrischer Verbindungslänge, Energieeffizienz und Art der elektrischen Konnektivität

Aktuelle Kernanwendungsszenarien

• Interne Verbindungen für Rechenzentren : Dies ist der größte und reifste Markt für Silizium-Photonik-Transceiver. Insbesondere bei optischen Modulen mit kurzer Reichweite (z. B. 500 Meter) für 400G/800G /1,6T haben sich Silizium-Photonik-Lösungen aufgrund ihrer hohen Dichte, ihres geringen Stromverbrauchs und ihres Kostenpotenzials zur gängigen Wahl entwickelt. Mit der steigenden Nachfrage nach KI-Computing ist die treibende Kraft für optische Hochgeschwindigkeitsverbindungen besonders stark.

• Telekommunikationsnetze : In Bereichen wie 5G-Fronthaul, Metropolitan Area Networks und Wavelength Division Multiplexing (WDM)-Systemen dringen Silizium-Photonikmodule allmählich auf den Markt und nutzen ihre Integrationsvorteile und potenziellen Kostenvorteile.

• Neue Szenarien mit hohem Potenzial : Die Silizium-Photonik-Technologie entwickelt sich auch zur bevorzugten Technologie für die Unterstützung optischer Verbindungen in KI-Clustern. Darüber hinaus zeigt sie Anwendungspotenzial in Bereichen wie LiDAR und optischem Quantencomputing.

Zukünftige Entwicklungstrends und Anbieterlandschaft

• Schnellere Entwicklung hin zu 1,6 T und mehr : Die Datenraten optischer Module steigen von 400 G/800 G auf 1,6 T und 3,2 T. NVIDIA hat beispielsweise das weltweit erste 1,6-T-CPO-System mit neuartigen Mikroringmodulatoren angekündigt und plant die Einführung entsprechender Silizium-Photonikschalter und optischer Subsysteme.

• Technologiekonvergenz: CPO und LPO :

  • CPO : Die gemeinsame Verpackung der optischen Engine mit dem Switch-Chip kann den Stromverbrauch und die Latenz weiter reduzieren und ist damit ein wichtiger Ansatzpunkt für die hohen Bandbreitenanforderungen von Scale-up-Verbindungen für KI-Cluster. Neben NVIDIA beschleunigen auch Unternehmen wie AMD ihre Entwicklung im Bereich der gemeinsam verpackten Optik durch Akquisitionen (z. B. Enosemi).

  • LPO : Das Linear-Drive Pluggable Optics (LPO)-Verfahren, das die Signalaufbereitung vereinfacht, gewinnt auch bei speziellen Anwendungen mit geringer Reichweite an Bedeutung. In Kombination mit der Silizium-Photonik-Technologie trägt es zum Wachstum des Marktanteils bei.

• Fortschritt der Technologie-F&E und der Industrieallianz :

  • EU-STARLight-Projekt : Dies ist ein Großprojekt unter der Leitung von STMicroelectronics und wird von der Europäischen Kommission unterstützt. Ziel ist die Etablierung einer Massenproduktionslinie für 300-mm-Silizium-Photonikchips bis 2028, die Entwicklung von Technologien für Datenraten von 200 Gbit/s pro Kanal und mehr sowie die Fokussierung auf die Märkte Rechenzentren, KI-Cluster, Telekommunikation und Automobil.

  • Intel : Als einer der Pioniere der Silizium-Photonik-Technologie ist Intel seit langem in diesem Bereich tätig und betrachtet ihn als einen wichtigen Teil seiner Zukunftsvision. Obwohl das Unternehmen sein Geschäft mit steckbaren optischen Modulen verkauft hat, bleibt sein gesammeltes Know-how in der Forschung und Entwicklung der Silizium-Photonik und in zukunftsweisenden Bereichen wie CPO einflussreich.

  • Cisco Systems : Als einer der weltweit führenden Anbieter von Silizium-Photonik-Modulen fördert Cisco durch seine Marktposition und technologischen Investitionen weiterhin die Anwendung und Entwicklung der Silizium-Photonik-Technologie in Rechenzentrumsnetzwerken.

• Marktgröße und Marktanteilswachstum : Das Marktforschungsunternehmen LightCounting prognostiziert, dass der Marktanteil der Silizium-Photonik-Technologie im Markt für optische Transceiver von  30 % im Jahr 2025 auf 60 % im Jahr 2030 steigen wird . Yole Intelligence prognostiziert, dass der weltweite Umsatz im Markt für Silizium-Photonik-Module  bis 2029 10,3 Milliarden US-Dollar erreichen wird  , mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von bis zu  45 % .