Что такое технология кремниевой фотоники?

Технология кремниевой фотоники: лидерство в оптической революции на уровне чипов в области высокоскоростных межсоединений

I. Что такое технология кремниевой фотоники?

Технология кремниевой фотоники, также известная как кремниевая фотоника, является передовой технологией, которая использует отработанные процессы производства полупроводников на основе кремния для интеграции оптоэлектронных устройств в микросхемы, что позволяет передавать, обрабатывать и вычислять информацию с использованием оптических сигналов.

Основная идея компании заключается в создании миниатюрных «оптических трактов» на кремниевых пластинах, которые будут использовать свет для замены или дополнения электричества, тем самым преодолевая узкие места в скорости и энергопотреблении традиционных электрических соединений.

Чтобы понять технологию кремниевой фотоники, нужно лишь усвоить следующие три ключевых момента:

1. Материальная основа: вездесущий кремний

Технология кремниевой фотоники использует кремний в качестве основного материала, что обеспечивает два неотъемлемых преимущества:

• Преимущество в стоимости : кремний является вторым по распространенности элементом в земной коре, что делает стоимость сырья значительно ниже, чем у традиционных оптических коммуникационных материалов, таких как фосфид индия и арсенид галлия (соединения III-V).

• Преимущество экосистемы : более 90% мировых интегральных схем основаны на кремниевых КМОП-технологиях. Это означает, что технология кремниевой фотоники может напрямую использовать существующую обширную, передовую и постоянно оптимизируемую по затратам цепочку поставок полупроводников, без необходимости создания новых производственных линий с нуля.

По мере совершенствования технологии и расширения масштабов производства ожидается дальнейшее снижение стоимости кремниевых фотонных чипов.

2. Технический ключ: максимальная интеграция

Традиционные оптические модули собираются «изнутри». Дискретные устройства, такие как лазеры, модуляторы и детекторы, сначала изготавливаются отдельно, а затем соединяются между собой посредством сложных процессов упаковки.

В отличие от этого, технология кремниевой фотоники использует  КМОП-технологию  для достижения  монолитной интеграции  различных оптических устройств на единой кремниевой подложке. Это подобно превращению разрозненных «дворов» в плотные «небоскрёбы», позволяя оптическим сигналам эффективно передаваться внутри кристалла, значительно повышая плотность интеграции. Это преимущество критически важно для оптических модулей центров обработки данных, которым требуются высокая пропускная способность и компактные размеры.

3. Фундаментальный драйвер: неотъемлемые преимущества оптических сигналов

При высокоскоростной передаче данных на короткие расстояния электрические сигналы сталкиваются с такими проблемами, как резкое увеличение энергопотребления, ограничения скорости и электромагнитные помехи.

Однако оптические сигналы обладают такими неотъемлемыми характеристиками, как высокая пропускная способность, малая задержка, низкое энергопотребление и устойчивость к электромагнитным помехам.

Суть технологии кремниевой фотоники заключается в идеальном сочетании преимуществ производительности оптических сигналов с производственными преимуществами кремниевого материала.

II. Воплощение технологии кремниевой фотоники: кремниевый фотонный приёмопередатчик

Кремниевый фотонный приёмопередатчик (SPM) — наиболее типичный и зрелый продукт в области кремниевой фотоники. По сути, это новое поколение оптических коммуникационных модулей, использующих кремниевые фотонные чипы, воплощающие вышеупомянутые характеристики высокой интеграции.

Принципиальная схема оптического приемопередатчика

Основное отличие от традиционных оптических модулей:

• Традиционные оптические модули : используют дискретную упаковку, «собирая воедино» несколько независимо изготовленных оптических устройств.

• Кремниевые фотонные трансиверы : интегрируют пассивные и активные устройства, такие как волноводы, модуляторы и детекторы, на  одном кристалле , реализуя «систему оптических путей» на уровне кристалла.

Это фундаментальное структурное отличие дает кремниевым фотонным трансиверам значительные преимущества:

• Высокая плотность интеграции : достигается фотонная интеграция на уровне кристалла, что создает основу для «фотоэлектрического синтеза».

• Потенциал низкой стоимости : кремниевый материал дешев, а его совместимость с КМОП-процессами позволяет наладить крупномасштабное низкозатратное производство.

• Потенциал низкого энергопотребления : высокая степень интеграции снижает потери энергии при соединениях между устройствами, а такие компоненты, как ТЭО, часто не требуются.

• Высокая плотность полосы пропускания : меньший размер означает, что на той же площади панели оборудования можно разместить больше портов, что увеличивает общую пропускную способность.

Пример оптического модуля на основе кремниевой фотоники со скоростью передачи данных 100 Гбит/с

III. Возможности и проблемы: текущее состояние кремниевых фотонных приемопередатчиков

Несмотря на быстрое развитие, кремниевые фотонные приемопередатчики по-прежнему сталкиваются с рядом основных проблем, особенно заметных на техническом, производственном и промышленном уровнях экосистемы:

1. Основные технические проблемы

• Проблема интеграции источника света : Кремний — материал с непрямой запрещенной зоной, который сам по себе не может эффективно излучать свет. Модули должны использовать внешние лазеры на материалах III-V (например, фосфиде индия). Эффективная интеграция лазера в кремниевый фотонный чип с высокой эффективностью, низкими потерями и высокой точностью совмещения — давняя техническая проблема. Такие распространенные технологии, как сварка пластин и дискретный монтаж, по-прежнему требуют усовершенствования с точки зрения сложности процесса и повышения выхода годных изделий для массового производства.

• Компромиссы в производительности устройств : кремниевые модуляторы по-прежнему уступают традиционным модуляторам на основе фосфида индия или ниобата лития по таким параметрам, как полоса пропускания, напряжение питания и линейность. Например, достижение высокой эффективности и низкого энергопотребления является одним из основных технических приоритетов при реализации высокоскоростной модуляции, превышающей 200 Гбит/с на канал.

• Потери сигнала при передаче и управление температурой : потери при передаче в кремниевых волноводах и потери связи между оптическими волокнами и наноразмерными кремниевыми волноводами являются ключевыми факторами, влияющими на производительность модуля. Более того, значительное влияние температуры на мощность устройства и стабильность длины волны создает проблему для долгосрочной надежности системы в условиях колебаний температуры, например, в центрах обработки данных.

2. Проблемы зрелости производства и цепочки поставок

• Сложность процесса и повышение выхода годных : Процессы кремниевой фотоники предполагают сложную интеграцию множества оптических и электрических доменов, что приводит к высокой сложности производства. По сравнению с производством КМОП-чипов, технология кремниевой фотоники всё ещё находится в стадии развития. Сохраняются проблемы повышения выхода годных и надёжности. Например, в условиях эксплуатации центров обработки данных, где температура и влажность часто колеблются в зависимости от времени года и состояния оборудования, недостаточная надёжность кремниевых фотонных устройств может привести к снижению производительности, отказам или повреждениям, что скажется на стабильности всей сети центра обработки данных.

• Ограниченные ресурсы для производства высококачественных компонентов : хотя крупные литейные заводы, такие как IMEC и TSMC, предлагают услуги по изготовлению кремниевых фотонных компонентов, их мощности и уровень поддержки всё ещё отстают от уровня традиционных электронных чипов. Комплекты для разработки производственных процессов (PDK) и стандартизированные производственные процессы имеют решающее значение для масштабного производства, но продолжают совершенствоваться.

• Сложный процесс тестирования и высокая стоимость : процесс тестирования оптоэлектронных микросхем изначально сложен, затратен, включает множество этапов производства, отличается высокой сложностью и характеризуется высоким процентом брака. Предварительное тестирование и отбор на уровне пластины добавляют дополнительные этапы и увеличивают стоимость.

Несколько кремниевых фотонных устройств на одной пластине, изготовленных на коммерческом заводе по производству полупроводников

3. Промышленная экосистема и проблемы стандартизации

• Разнообразие технических путей, отсутствие стандартов : по сравнению с традиционными оптическими модулями кремниевые фотонные приёмопередатчики имеют более низкую степень стандартизации, и зрелость производственной цепочки нуждается в повышении. Область кремниевой фотоники характеризуется значительным техническим разнообразием. Разные заказчики часто выбирают уникальные технические пути, от выбора волоконных массивов (например, волоконные массивы 250 мкм против 127 мкм) до различий в типах волноводов (например, Si- и SiN-волноводы) и широкого спектра компонентов, таких как фотодетекторы и модуляторы (например, германиевые фотодетекторы, MZM, MRM). Каждый компонент требует индивидуальной проверки производительности и надёжности, что значительно усложняет индустриализацию технологии кремниевой фотоники и препятствует её массовому производству и внедрению.

• Новые вызовы, связанные с технологией CPO : Несмотря на то, что технология Co-Packaged Optics (CPO) обладает огромным потенциалом, помимо производственных сложностей и снижения энергопотребления, конечным пользователям необходимо принять CPO как эффективное решение для постоянного снижения затрат. Первые продукты основаны на собственных разработках, что может стать серьёзным препятствием для внедрения технологии крупными облачными компаниями, которые обычно разрабатывают собственные серверы, коммутаторы и все решения для межсоединений. Создание конкурентоспособной экосистемы, поддерживающей масштабное внедрение CPO, всё ещё требует времени.

IV. Сценарии применения и тенденции развития

Соотношение между длиной электрической линии, энергоэффективностью и типом электрического соединения

Текущие основные сценарии применения

• Внутренние межсоединения в центрах обработки данных : это крупнейший и наиболее зрелый рынок кремниевых фотонных трансиверов. Кремниевые фотонные решения стали основным выбором, особенно в оптических модулях 400G/800G /1.6T с коротким радиусом действия (например, 500 метров), благодаря высокой плотности, низкому энергопотреблению и потенциально низкой стоимости. В условиях резкого роста спроса на ИИ-вычисления движущая сила высокоскоростных оптических межсоединений особенно сильна.

• Телекоммуникационные сети : в таких областях, как сети 5G Fronthaul, городские сети и системы спектрального уплотнения (WDM), кремниевые фотонные модули постепенно проникают на рынок, используя преимущества интеграции и потенциальные экономические выгоды.

• Новые перспективные сценарии : технология кремниевой фотоники также становится предпочтительной для поддержки оптических соединений в кластерах искусственного интеллекта. Кроме того, она демонстрирует потенциал применения в таких областях, как лидары и оптические квантовые вычисления.

Тенденции будущего развития и ландшафт поставщиков

• Развитие скорости до 1,6 Тбит/с и выше : скорость передачи данных оптических модулей увеличивается с 400G/800G до 1,6 Тбит/с и 3,2 Тбит/с. Например, NVIDIA анонсировала первую в мире систему CPO со скоростью 1,6 Тбит/с, использующую новые микрокольцевые модуляторы, и планирует представить соответствующие кремниевые фотонные переключатели и оптические подсистемы.

• Конвергенция технологий: CPO и LPO :

  • CPO : Совместное размещение оптического модуля с чипом коммутатора может дополнительно снизить энергопотребление и задержку, что делает это ключевым направлением для удовлетворения требований к высокой пропускной способности межсоединений масштабируемых кластеров ИИ. Помимо NVIDIA, такие компании, как AMD, также ускоряют внедрение совместного размещения оптических компонентов за счёт приобретений (например, Enosemi).

  • LPO : Схема с линейной оптикой (LPO), упрощающая обработку сигнала, также привлекает внимание к приложениям с малым радиусом действия. В сочетании с технологией кремниевой фотоники она способствует росту доли рынка.

• Прогресс в области технологических исследований и разработок и промышленного альянса :

  • Проект EU STARLight : это крупный проект, реализуемый компанией STMicroelectronics при поддержке Европейской комиссии. Цель проекта – создание к 2028 году линии массового производства кремниевых фотонных чипов размером 300 мм, разработка технологии, обеспечивающей скорость передачи данных 200 Гбит/с на канал и выше, а также ориентация на рынки центров обработки данных, кластеров искусственного интеллекта, телекоммуникаций и автомобильной промышленности.

  • Intel : Будучи одним из пионеров технологии кремниевой фотоники, Intel давно инвестирует в эту область и считает её ключевым элементом своего будущего. Несмотря на продажу бизнеса по производству сменных оптических модулей, накопленный опыт компании в области исследований и разработок в области кремниевой фотоники и таких перспективных направлений, как CPO, остаётся весьма влиятельным.

  • Cisco Systems : являясь одним из ведущих мировых игроков на рынке кремниевых фотонных модулей, Cisco, благодаря своей рыночной позиции и технологическим инвестициям, продолжает содействовать применению и развитию технологии кремниевой фотоники в сетях центров обработки данных.

• Рост размера и доли рынка : исследовательская компания LightCounting прогнозирует, что доля кремниевой фотоники на рынке оптических приемопередатчиков увеличится с  30% в 2025 году до 60% к 2030 году . По прогнозам Yole Intelligence, к 2029 году объем мировых продаж на рынке кремниевых фотонных модулей достигнет  10,3 млрд долларов  , а среднегодовой темп роста (CAGR) составит  45% .