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群雄逐鹿硅光子芯片市场

2018-12-26
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日前,思科宣布,公司将斥资6.6亿美元的现金和股权奖励收购加州半导体公司Luxtera。思科表示,思科表示,Luxtera先进的硅光子芯片技术,能帮助思科满足商业客户对快速和高性能网络服务的需求。


无独有偶,在几个月前,中国信息通信科技集团宣布,我国首款商用“100G硅光收发芯片”正式研制投产;上海市政府将硅光子列为首批市级科技重大专项,予以全力支持;国内上市公司亨通光电宣布在硅光芯片上获得突破。

 

国内外供应链的广泛关注证明,硅光子芯片竞争进入了一个新阶段。


为什么关注硅光子?


近年来,全球数据流量与正在高速发展。尤其是正在到来的5G引爆的各种引用,将会进一步推动数据中心流量的增长,这就对其内部的传输提出了新的需求,硅光子就是为了解决这个问题而产生的。


目前,传统光模块主要采用III-V族半导体芯片、高速电路硅芯片、光学组件等器件封装而成,本质上属于“电互联”。而随着晶体管加工尺寸的逐渐缩小,电互联将逐渐面临传输瓶颈,在此背景下,硅光子技术运用而生。


硅光子市场规模预测(source:Intel)


所谓硅光子集成技术,是以硅和硅基衬底材料(如 SiGe/Si、SOI 等)作为光学介质,通过互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容的集成电路工艺制造相应的光子器件和光电器件(包括硅基发光器件、调制器、探测器、光波导器件等),并利用这些器件对光子进行发射、传输、检测和处理,以实现其在光通信、光互连、光计算等领域中的实际应用。硅光技术的核心理念是“以光代电”,即采用激光束代替电子信号传输数据,将光学器件与电子元件整合至一个独立的微芯片中。在硅片上用光取代传统铜线作为信息传导介质,大大提升芯片之间的连接速度。


硅光子芯片示意图(source:IBM)


因为这种技术的产品结合了以微电子为代表的集成电路技术的超大规模、超高精度的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势。硅光子技术能够解决400G通信时代需要面对的PAM4电调制方案带来的巨大损耗和8*50G的QSFP-DD方案引发的器件数量增加与工作带来温度提升带来的温漂等挑战性问题。


这项技术自1969年由贝尔实验室提出以来,就一直受到厂商的广泛关注。本世纪初, IBM、Intel、Sun Microsystems( 后 并 入 Oracle)、NTT/NEC 等公司便设立独立硅光子部门并投入大量资源,和学术界一起对硅光子产业进行深入研究,IBM和Intel也都推出了相应的硅光子芯片。而在产学研三方的努力下,近十年更是催生了Luxtera、Kotura、Lightwire 、Aurrion和Acacia等一波聚焦在硅光子通信的公司,硅光子产业一触即发。


巨头环伺的市场


因为硅光子拥有如此大的魅力,这就吸引了上述众多厂商投入其中,并取得了不错的成果。


以IBM为例,在2015年,该公司对外展示了一款号称完全整合的分波多任务CMOS硅光子(silicon photonics)芯片。时任IBM Research硅光子部门(Silicon Photonics Group)经理Will Green表示,该芯片的4个laser信道──分别以25Gbps的速度在芯片上运作──是以锗(germanium)光学探测器以及光学解多任务器(demultiplexers),将之融合为单一100Gbps电子信号,在需要时进行处理;该电子信号能以干涉仪(interferometers)调变四道芯片外的laser,成为在芯片边缘外行进的光脉冲。


IBM的全整合式分波多任务CMOS光子芯片


“我们所展示的是该单芯片以分波多任务所达成的 数据速率,光学滤波器结合与分离多任务色彩,就能完成硅光学组件的解多任务程序;这一切只要使用任何一座CMOS晶圆厂的硅与电介质制造的单一芯片,搭配以次100纳米(sub-100nm)绝缘上覆硅(silicon-on-insulator)生产的锗薄膜光探测器”, Green强调。


另一个硅光子先行者Intel在硅光子方面也有了很深的研究。


早在上世纪90年代末,英特尔就开了一个平面光电路公司,这引起业界的颇多关注,但他们在 2004 年却又将这个业务悄然关闭。数年前,Intel宣布他们的 Light Peak技术能够让高速光链接降到平价,这让光互连领域为之兴奋(Light Peak 后来演变成苹果的 Thunderbolt)。用于电传输。对硅光子的投入则是英特尔对之前探索的延续,他们还在2015年推出了一款全新硅光子产品,这个采用内置混合集成激光器+硅调制器的方案可以在数据中心的数据传输过程中提供极大速率。据了解,这款产品不仅价格较低,生产过程也比较容易,该技术有望改善数据中心的数据交换瓶颈问题。


按照英特尔数据中心集团执行副总裁黛安·布莱恩特的说法,网线中的电子不会对硅光子产品造成影响,“我们研发硅光子技术已经超过16年,是首家‘用光点亮硅芯片’的公司。”,她强调。


Intel的硅光子产业发展规划(source:Intel)


今年八月在罗马召开的欧洲光通信会议(ECOC)上,英特尔公布了其新型硅光子接收器的规格。据介绍,其100G CWDM4(粗波分复用 4 通道)QSFP28 光收发器的工作温度范围比较广,具有双速率 40Gbps / 100Gbps 通用公共射频接口(CPRI)和 eCPRI,双工单模光纤下的使用距离可达 10 公里,旨在为通信和云服务商提供支持 5G 无线网络扩展的硬件。他们还将将从2018年 4 季度起向客户交付 400 Gbps DR4 硅光子模块样品,并在 2019 下半年开始量产。


其实在2015年英特尔推出其产品之前,文章开头的主角,被思科收购的lextura已经推出了外置激光器+硅调制器方案。这家成立于2001年的公司是全球第一家提供光子器件解决方案的公司。Luxtera的CMOS光子器件都是由CMOS电子学工艺集成,体积比传统的光子器件更小。


Luxtera表示,他们和台积电合作开发的技术可以相比其他硅光方案提供翻倍的性能和四倍的传输能力,支持光互联能力与CMOS电芯片的全面集成,并可以进一步降低功耗和成本。按照计划,他们会从2018年开始利用台积电的7nm CMOS工艺把这些新技术用在100GBase-DR和400GBase-DR4模块中。Luxtera 和 Intel在之前一直在用激进的定价,试图在光模块市场打开一个缺口。


通过对Photonic Controls、BinOptics、FiBest等企业的收购,美国大厂MACOM也进入了硅光芯片市场。按照他们介绍,。MACOM在硅光平台种引入了具有专利的端面刻蚀技术(EFT)和自对准技术(SAEFT)使其硅光产品独具优势。这也让MACOM的激光器芯片无需气密封装,可显著降低最终元器件的尺寸和成本,并且允许硅光子集成电路直接位于模块电路板上,从而增大了硅光子可实现的互连密度。他们将包括激光器、调制器和多路复用器在内的光学器件封装到单个硅芯片上的硅光PIC系列产品也将于2018年第二季度开始批量供货。


成立于2009年的Acacia也是硅光子芯片的另一个重要玩家,他们在2014年就发布了首款具有完整100G相干收发器功能的单芯片硅光子集成电路(PIC)。同时,公司也是第一个在市场上发布 400G 转发器的供应商,在硅光领域具有全球领先实力。


其他如Finisar、Oclaro、博通、SiFotonics、Leti、、Infinera、Rockley Photonics、Skorpios、Ciena、Molex和IMEC、ST、台积电、格芯、Fabrinet等也都是这个领域不可或缺的参与者。除了这些独立的厂商外,思科和华为,甚至谷歌和Facebook这些原本客户的加入,让硅光芯片这个市场竞争更为激烈:除了近期收购的Luxtera,思科在2012年就已经斥资2.7亿美元收购了硅光子公司Lightwire;华为也在2013年前后收购了比利时硅光子公司Caliopa和英国光子集成公司CIP,加码这个领域。


挑战依然存在


虽然硅光子市场前景看好,但在工艺和设计上依然面临一系列的挑战。


中国电子科技集团公司第三十八研究所的郭进、冯俊波和曹国威在其题为《硅光子芯片工艺与设计的发展与挑战》的论文中指出,与微电子工艺相比,硅光子在总体路径、版图、工艺和材料方面都有其特殊性,那么在工艺的开发过程中就必须考虑到温度预算、污染控制和关键工艺等问题。他们指出,硅光子集成的工艺开发路线和目标比较明确,困难之处在于如何做到与 CMOS 工艺的最大限度的兼容,从而充分利用先进的半导体设备和工艺,同时需要关注个别工艺的特殊控制。硅光子芯片的设计目前还未形成有效的系统性的方法,设计流程没有固化,辅助设计工具不完善,但基于 PDK 标准器件库的设计方法正在逐步形成。如何进行多层次光电联合仿真,如何与集成电路设计一样基于可重复 IP 进行复杂芯片的快速设计等问题是硅光子芯片从小规模设计走向大规模集成应用的关键。


基于标准 CMOS 工艺的硅光子工艺流程开发


Inphi的首席技术官Radha Nagarajan在接受semiengineering采访时表示:“光子的波长比电子的要大得多。这也是为什么电子产品可以进入7nm节点,而标准硅光子器件是130nm或180nm节点,而且通常使用245nm光刻线。光学器件不同于电子器件,它们的相位较为敏感,侧壁粗糙度和损耗很重要。当这些成为重要因素时,重要的将不是节点,而是更大尺寸但更精准的节点下,光刻和蚀刻的质量。”


西门子公司Mentor定制IC设计组的产品营销经理Chris Cone则强调,当你驱动一个光子接口时,你遇到了很多关于噪声和大量热量的问题,这必须考虑在内。没有东西可以提供这种能力,这一切都归结为接口,它速度非常快,以每秒几十千兆位的速度运行,开关驱动调制器上的结点或移相器,并产生一个你必须考虑的EMI签名。同样,从光电探测器出发,你需要一个非常敏感的输入进入跨阻放大器。你必须屏蔽来自电路其它部分的噪声。


虽然开发困难比较大,且竞争环境激烈。但对于国内厂商来说,去投入这个产业是必须的。尤其是在中兴制裁时间之后,我们看到了国内在光通信方面的短板,尤其是在硅光子方面,国内更是几近于无。这就迫使国内将这个研发提上日程。


但按照中兴光电子技术有限公司的孙笑晨和张琦在其名为《硅光子通信产品技术和商业化进程》的文章中的说法,由于这个产业的专业细分化和各层次的高度成熟性,使得在未形成有 效的 Fabless- Foundry 模 式前 ,进入的门槛和初始的投入非常大。无论对于初创公司还是大公司的部门,都需要准备大量的研发资源并仔细考虑其应用场景。


文/半导体行业观察 李寿鹏


今天是《半导体行业观察》为您分享的第1808期内容,欢迎关注。

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