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人工智能熱潮來襲,硅光子技術(shù)迎來殺手級應(yīng)用?

MEMS ? 來源:MEMS ? 2024-04-01 17:26 ? 次閱讀
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過去十年來,通用云和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用(如視頻流媒體、社交網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)搜索引擎和電子商務(wù)平臺等)推動了數(shù)據(jù)中心流量的指數(shù)級增長。近年來,利用大語言模型(LLM)進行人工智能AI)訓(xùn)練和推理的AI及機器學(xué)習(xí)(ML)的興起,為傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心市場提供了巨大的增長前景?;乜创笳Z言模型在過去幾年中的發(fā)展,就不難理解這一市場趨勢的變革性影響。

迄今為止,這些模型的建模參數(shù)呈超指數(shù)增長,數(shù)據(jù)量的攝取量也成正比。盡管生成式AI仍處于早期階段,但其應(yīng)用已擴展到多個領(lǐng)域,包括機器人、自動化設(shè)計、先進增強/虛擬現(xiàn)實(AR/VR)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)以及金融等。所有這些市場的整合應(yīng)用推動高性能計算和數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域進入了一個全新的技術(shù)經(jīng)濟范式。

未來幾年,AI專用服務(wù)器的市場份額將直線上升,從2022年幾乎可以忽略不計,到2027年預(yù)計將占據(jù)整體市場營收的50%(即900億美元)。

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大語言模型演進時間線及其參數(shù)數(shù)量的相對增長(上圖)。AI服務(wù)器和通用服務(wù)器的營收增長趨勢,以及2022年~2027年AI服務(wù)器市場份額的相對變化(下圖)。

數(shù)據(jù)間尤其是數(shù)據(jù)中心內(nèi)流量的快速增長,推動了對高速可插拔光收發(fā)器的需求,目前這種收發(fā)器正在從100 Gbps向400 Gbps過渡。此外,已有800 Gbps設(shè)備于2023年開始出貨,1.6 Tbps可插拔模塊目前也可預(yù)送樣。

互聯(lián)與人工智能革命

可插拔光收發(fā)器用作服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)互連,在AI/移動通信應(yīng)用日益增長的需求中發(fā)揮著重要作用。在數(shù)據(jù)中心,它們在路由器和葉脊架構(gòu)交換機之間傳輸和接收數(shù)據(jù)。具體到云AI/ML應(yīng)用,它們連接交換機與加速器服務(wù)器(即GPUCPU機架)。此外,這些收發(fā)器還可分別通過城域網(wǎng)、長途網(wǎng)和海底網(wǎng)絡(luò),在數(shù)據(jù)中心之間提供短距離、中距離或長距離連接。

一般來說,光收發(fā)器必須滿足三個同等重要的要求:高速度、低功耗以及最低的成本結(jié)構(gòu)。

功耗方面,數(shù)據(jù)中心服務(wù)器集群的功率密度在50 kW到100 kW之間,以滿足新興的AI要求。然而,2023年~2028年期間,AI在數(shù)據(jù)中心的功耗預(yù)計將增加一倍以上。

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數(shù)據(jù)中心功耗變化趨勢

此外,400 GbE可插拔收發(fā)器500 m至2 km鏈路距離的功耗約為12 W,而800 GbE可插拔收發(fā)器的這一數(shù)字通常約為16 W。隨著數(shù)據(jù)量的增長,顯然需要功耗更低、速度更快的光收發(fā)器,這促使可插拔收發(fā)器的外形尺寸在不同的架構(gòu)中不斷發(fā)展。值得注意的是,可插拔收發(fā)器內(nèi)部的數(shù)字信號處理(DSP)是功耗的主要來源之一。這促使業(yè)界開始探索新型收發(fā)器設(shè)計,如線性驅(qū)動可插拔光學(xué)器件(LPO)、半重定時線性光學(xué)器件(HALO)和共封裝光學(xué)器件(CPO),以利用更先進的器件設(shè)計和光電子協(xié)同集成,使未來的可插拔收發(fā)器能夠直接驅(qū)動運行,而無需獨立的專用DSP組件。

LPO與傳統(tǒng)光模塊之間的主要區(qū)別在于線性驅(qū)動(或直接驅(qū)動)。LPO采用基于可插拔設(shè)計的傳統(tǒng)封裝形式,使收發(fā)器的維護更加方便。LPO收發(fā)器,顧名思義,采用線性直接驅(qū)動技術(shù),取消了光模塊中的DSP和時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)芯片。因此,與傳統(tǒng)的可插拔光模塊相比,這些模塊的功耗降低了約50%。此外,由于取消了DSP,并使用高線性跨阻抗放大器和具有均衡器功能的驅(qū)動芯片,LPO還進一步縮短了信號恢復(fù)時間和延遲。

HALO是介于DSP可插拔模塊和LPO之間的最新技術(shù)。它解決了無DSP LPO固有的弱點,包括互操作性問題、鏈路責(zé)任以及相對無法解決的問題。

CPO越來越被視為光互連技術(shù)自然演進的重要一步,因為它們有可能解決傳統(tǒng)光學(xué)可插拔技術(shù)所面臨的帶寬和能效挑戰(zhàn)。CPO技術(shù)通過將光引擎芯片直接與專用集成電路ASIC)或其它多芯片處理模塊共封裝到交換機或加速器模塊中來實現(xiàn)上述改進。這是通過先進封裝工藝實現(xiàn)的,充分利用了電子器件(包括先進的數(shù)字功能)和光子器件的協(xié)同設(shè)計和集成。通過ASIC或其它處理單元(如CPU、GPU和/或存儲芯片)直接驅(qū)動光學(xué)引擎,可以降低延遲和整體功耗。

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光互連架構(gòu)演進,從可插拔外形到更先進的板載光學(xué)器件、共封裝光學(xué)器件和光學(xué)I/O引擎。光學(xué)I/O引擎是實現(xiàn)數(shù)字電子器件和光子器件協(xié)同集成的終極步驟。

賦能云AI

在AI服務(wù)器集群和超級集群中,GPU與網(wǎng)絡(luò)端口相連,使其可以與其它機架和加速器服務(wù)器中的GPU通信。為了最大限度地提高GPU的使用效率,網(wǎng)絡(luò)速度必須跟上GPU的處理和內(nèi)存存儲速度。這對于AI應(yīng)用來說極為重要,因為AI應(yīng)用通常需要實時處理并分析大數(shù)據(jù)集。

為了滿足GPU或xPU(即其它GPU、CPU或存儲芯片)之間短距離到長距離連接的需求,硅光子CPO引擎日益被視為這項工作的關(guān)鍵技術(shù)。它們可以在計算單元和本地存儲器之間以及整個AI結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)更靈活的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計,從而在成本、性能和功耗方面實現(xiàn)收發(fā)器功能相對傳統(tǒng)可插拔技術(shù)的全面改進。已有多家AI公司將集成硅光子技術(shù)視為光互連架構(gòu)面向下一代AI云計算基礎(chǔ)設(shè)施的自然演進步驟。

這種演進的基礎(chǔ)是先進的材料平臺,集成光子解決方案將在這些平臺上設(shè)計和制造。目前最成熟的平臺是絕緣體上硅(SOI),它提供了固有的物理和機械特性,有利于多種硅光子學(xué)應(yīng)用,尤其是在光網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。

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光子SOI襯底結(jié)構(gòu),以及該技術(shù)對硅光子器件、電路及子系統(tǒng)的相應(yīng)價值主張

這些優(yōu)勢的關(guān)鍵在于提高SOI襯底頂部硅器件層晶圓到晶圓(W2W)和晶圓內(nèi)(WiW)均勻性和表面粗糙度。此外,塊體頂部硅層的整體光學(xué)特性(如缺陷、表面狀態(tài)和作為光散射中心的體微缺陷),對于硅光子元件的最佳良率和性能也非常重要。這還能確保制造出來的器件和電路盡可能接近計算機輔助設(shè)計(CAD)工具和圖形數(shù)據(jù)流(GDS)文件中的設(shè)計參數(shù)。

光損耗是評估襯底材料質(zhì)量的關(guān)鍵基準,因為它預(yù)示著無源器件的整體性能水平以及后續(xù)的前端光學(xué)良率。隨著先進超高速收發(fā)器、板載光學(xué)器件(特別是CPO)的興起,元件密度和整體電路復(fù)雜性不斷提高,襯底材料質(zhì)量與大面積電路的關(guān)系日益密切。

硅光子SOI晶圓直徑有200 mm和300 mm兩種。更大直徑的襯底可以容納更多的芯片制造,同時能夠更嚴格地控制頂部硅膜厚度的WiW和W2W不均勻性。對于SOITEC的200 mm直徑晶圓,目前最先進的頂部硅層厚度WiW不均勻性與前幾代產(chǎn)品相比降低了70%以上。此外,頂部硅膜平均厚度W2W變異性也得到了極大改善,從而提高了晶圓級無源光學(xué)性能,并在量產(chǎn)時提高了前端良率。

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SOITEC兩代200 mm SOI晶圓(Photon 200和Photon Plus 200)上測量的頂部硅平均厚度不均勻性。該研究在200多片晶圓上分別采集了17個測量點。厚度測量單位:埃(1/10納米)。

法國CEA-Leti在其200 mm硅光子工藝設(shè)計套件和測試線上進行的光學(xué)測試證實了這一趨勢。研究數(shù)據(jù)表明,最先進的SOI技術(shù)在硅頂層薄膜不均勻性和缺陷密度方面達到了非常先進的目標。這使得目前的200 mm SOI晶圓能夠顯著降低損耗(條狀波導(dǎo)為1~1.4 dB/cm),并降低晶圓上傳播損耗中值的色散(低至0.09 dB/cm)。

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SOITEC Photon/Photon Plus 200的光學(xué)性能

應(yīng)用于300 mm SOI襯底的類似基準測試評估了一家SOITEC商業(yè)代工合作伙伴制造的器件。在測試過程中,最先進的SOI晶圓在O波段的單模TE偏振波導(dǎo)損耗介于0.5~0.65 dB/cm。

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1310 nm波長區(qū)域(左)帶狀、橫電(TE)偏振配置的單模波導(dǎo)傳播損耗基準(單位:dB/cm)。

面向硅光子應(yīng)用的先進封裝

先進封裝和后道(BEOL)技術(shù)是推動硅光子路線圖發(fā)展的關(guān)鍵因素,特別是對于更先進的收發(fā)器設(shè)計和CPO多芯片模塊集成。例如,2.5D和3D CoWoS封裝或異構(gòu)集成方案,對于為日益密集且復(fù)雜的硅光子芯粒提供電力以及光纖到芯片的光連接是非常必要的。然而,先進的BEOL和模塊封裝是目前硅光子技術(shù)中的主要良率障礙。

SOI襯底將在應(yīng)對這些挑戰(zhàn)方面發(fā)揮另一個重要作用。事實上,從SOI晶圓的操作來看,其潛力遠不止支持三層堆疊。先進的SOI加工技術(shù)可產(chǎn)生卓越的材料化學(xué)物理性能,為新型SOI硅晶圓提供所需要的機械堅固性,使其能夠經(jīng)受激進的熱退火循環(huán),以及晶圓代工廠先進硅光子加工中典型的更厚的多層金屬BEOL技術(shù)。此外,操作晶圓還能使代工廠和設(shè)計人員具有足夠的靈活性來實施硅通孔(TSV)技術(shù)和光纖連接V形槽(或類似的實施方法),從而為光學(xué)引擎提供電氣和光學(xué)互連。

具體來說,在SOI制造過程中,由于熱處理的原因,硅中所含的間隙氧往往會在晶核上析出,從而導(dǎo)致體微缺陷的產(chǎn)生。這些缺陷可以充當所謂的“吸雜中心”,吸引潛在的金屬污染。此外,還需要這些缺陷來阻止位錯的傳播,以確保襯底對熱應(yīng)力的機械魯棒性,從而防止產(chǎn)生膜裂缺陷(也稱滑移線)。

然而,用于在硅襯底上創(chuàng)建V形槽或TSV的干法蝕刻也會受到體微缺陷密度的不利影響。體微缺陷會在蝕刻和金屬填充過程中造成微掩膜,從而導(dǎo)致缺陷,由于整個芯片上TSV電阻率的變化,有可能給晶圓代工廠帶來重大的良率損失。

為了實現(xiàn)新的硅光子技術(shù),某些特定開發(fā)有助于SOI晶圓操作襯底提供應(yīng)對這些挑戰(zhàn)所需要的特性。在SOI掩埋氧化層下方創(chuàng)建無體微缺陷區(qū)(也稱為潔凈區(qū))具有雙重優(yōu)勢,既能進行無缺陷蝕刻以形成光纖連接V形槽或電氣TSV,又能保持SOI襯底在熱處理中的魯棒性。

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潔凈區(qū)操作硅晶圓技術(shù)的橫截面激光散射斷層掃描圖像。從潔凈區(qū)去除體微缺陷,厚度約為100 μm,更低區(qū)域仍存在體微缺陷,以保持晶圓的機械性能、正確的幾何形狀以及對熱處理、BEOL和封裝處理的整體魯棒性。

AI的現(xiàn)在與未來

硅光子技術(shù)為AI架構(gòu)提供的光互連有望徹底變革AI算法,并進一步提升這些復(fù)雜系統(tǒng)的能力,實現(xiàn)更高效的結(jié)構(gòu),進而以更高的性能適應(yīng)日益復(fù)雜的工作負載。隨著AI網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)在演進,硅光子技術(shù)以及多芯片模塊中的異構(gòu)集成將改變交換層,從而以所需的互連密度和成本實現(xiàn)更低的延遲和功耗。

本文源自SOITEC,麥姆斯咨詢編譯。




審核編輯:劉清

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