資料中心傳輸壓力飆升 矽製程光通訊元件神救援

  新興服務(wù)和增加的連接設備數量使資訊中心資料傳輸壓力倍增，繼續以銅作為傳輸介質(zhì)將難以招架。光通訊將成為設備高速傳輸的救星，使用「矽」作為光學(xué)元件的趨勢更將改變既有製造生態(tài)，創(chuàng )造前景可期的「矽光子」未來(lái)。

  對網(wǎng)路頻寬永不滿(mǎn)足的需求是新資料中心技術(shù)發(fā)展的驅動(dòng)力。在影音應用、雲端服務(wù)、遊戲和連接設備數量增加的推動(dòng)下，網(wǎng)路營(yíng)運商持續面臨升級和擴大網(wǎng)路容量的壓力，同時(shí)也須盡量降低部署新硬體設備的成本。雖然硬體升級的重點(diǎn)常放在網(wǎng)路設備，如路由器、交換器和伺服器，但這些設備之間的光互連在資本支出和營(yíng)運成本方面的重要性也日漸增加。

  光纖鏈路兩端的收發(fā)器模組是光互連性能的一項關(guān)鍵驅動(dòng)因素，收發(fā)器為可插拔光模組，將電訊號轉換為光訊號再轉換回來(lái)。這些模組插入網(wǎng)路設備中，並端接至貫穿整個(gè)網(wǎng)路物理基礎設施的光纖布線(xiàn)。與作為網(wǎng)路大腦並主要依靠矽基電晶體的ASIC和CPU晶片不同，光收發(fā)器依靠雷射二極體、光電二極體和光波導等光學(xué)元件來(lái)進(jìn)行操縱和調變，以便在光纖鏈路上傳送訊息。

  本文特別關(guān)注使用「矽」建構光學(xué)元件的趨勢。所謂的「矽光子(Silicon Photonics)」技術(shù)為提高光學(xué)元件的整合程度和透過(guò)大量生產(chǎn)實(shí)現高速光學(xué)元件民主化帶來(lái)希望曙光。矽光子技術(shù)長(cháng)期以來(lái)一直受到光通訊產(chǎn)業(yè)的關(guān)注，近年來(lái)在資料中心網(wǎng)路中占據重要地位。由於資料中心營(yíng)運商需要大量的光模組，這項技術(shù)越來(lái)越常用於高速網(wǎng)路。

  光通訊發(fā)展史：從小眾市場(chǎng)走向規模經(jīng)濟

  回顧歷史，光學(xué)產(chǎn)業(yè)一直被視為利基市場(chǎng)，特別是與矽電子產(chǎn)業(yè)的非凡規模相比。經(jīng)過(guò)幾十年的努力，電子產(chǎn)業(yè)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出基於微影技術(shù)的矽晶圓大規模製造程序。電子元件的龐大市場(chǎng)進(jìn)一步推動(dòng)業(yè)者投資先進(jìn)晶圓廠(chǎng)、材料供應鏈、自動(dòng)化工具及電子晶片設計流程。

  光通訊市場(chǎng)一直以來(lái)都比電子產(chǎn)業(yè)小得多，光學(xué)技術(shù)沿著(zhù)不同的技術(shù)路線(xiàn)發(fā)展，使用砷化鎵或磷化銦等底材而非矽晶圓，製造技術(shù)在本質(zhì)上更傾向定製，並未和電子產(chǎn)業(yè)一樣受益於規模經(jīng)濟。不過(guò)，光學(xué)元件的大規模生產(chǎn)已經(jīng)取得顯著(zhù)進(jìn)展。在1990年代末期的電信熱潮下，對規模製造的關(guān)注開(kāi)始加速，並且隨著(zhù)越來(lái)越多光學(xué)元件部署於資料中心，因為銅纜並不總能以最快的資料速率支援資料中心所需的傳輸量而持續發(fā)展。在雲端運算和超大規模資料中心，大規模部署光學(xué)元件的作法已十分普遍。目前來(lái)說(shuō)，大量製造的能力對滿(mǎn)足資料中心光學(xué)元件的需求至關(guān)重要。

  這就是矽光子變得有趣的地方。經(jīng)過(guò)多年的研究和開(kāi)發(fā)，該技術(shù)已經(jīng)成熟，同時(shí)，由光收發(fā)器市場(chǎng)驅動(dòng)的產(chǎn)品需求已足夠多，矽光子可善用矽製造中現有的大規?；A設施。借力現有供應鏈和晶圓廠(chǎng)，矽光子技術(shù)能實(shí)現光子晶圓大規模生產(chǎn)。矽光子現已成熟到可常規部署於真實(shí)網(wǎng)路，並為終端用戶(hù)提供真正的價(jià)值。本文說(shuō)明矽光子的優(yōu)勢，並引用思科(Cisco)矽光子技術(shù)資料庫的例子。

  矽光子運作原理

  矽光子技術(shù)將高速收發(fā)器的關(guān)鍵光子元件和功能整合至矽底材中，使其能夠在標準的商用晶圓廠(chǎng)進(jìn)行製造。矽光子技術(shù)的發(fā)展主要聚焦於建立和鑒定光學(xué)元件和相關(guān)設計，這些元件和設計可用於矽晶圓廠(chǎng)，以生產(chǎn)整合於單個(gè)晶片的光子系統。

  光收發(fā)器在發(fā)射端將電訊號轉換為光訊號，並在網(wǎng)路鏈路的接收端將光訊號轉換回電訊號。透過(guò)追蹤光進(jìn)入和離開(kāi)設備的過(guò)程，可以找出收發(fā)器的關(guān)鍵光學(xué)元件。為了接收光，必須有一個(gè)與矽的耦合介面，其可透過(guò)光柵耦合(Grating Coupling)垂直穿過(guò)晶片頂部，或者透過(guò)邊緣耦合(Edge Coupling)穿過(guò)矽的側面。波導引導光線(xiàn)通過(guò)晶片，矽基光感測器(Photodetector)偵測光線(xiàn)，並將訊號轉換為電訊號，由設備的電子部分進(jìn)行讀取作業(yè)。

  首先，在發(fā)射端，由雷射產(chǎn)生光並引導至晶片中。接著(zhù)，需要將光調變?yōu)閿y帶訊息的訊號連接器。最後，光耦合輸出晶片，進(jìn)入光纖，透過(guò)一個(gè)標準介面進(jìn)入收發(fā)器模組外部的光纖電纜(圖1)。

  圖1 光收發(fā)器示意圖

  從過(guò)往經(jīng)驗來(lái)看，光子元件一直是分立的，並且採用矽以外的底材，如磷化銦或砷化鎵。事實(shí)上，針對同一元件，不同供應商甚至可能使用不同的製造方式。但是，如果每個(gè)元件都能使用同樣的矽製程進(jìn)行製造，就可以設計和製造一個(gè)完全整合的光學(xué)晶片，充分利用CMOS製程的成熟程度和既有規模。光子裸晶可以和負責電氣訊號處理的電子裸晶緊密配對及整合。圖2為100-Gbps光模組範例，整個(gè)收發(fā)器的功能整合於一個(gè)晶片組中。遇到需要大規模生產(chǎn)光學(xué)元件的時(shí)候，整合所能創(chuàng )造的價(jià)值不容小覷。

圖2 基於100-Gbps光模組的矽光子應用範例

  矽光子帶來(lái)多項優(yōu)勢

  產(chǎn)量大幅提升

  減少手工或客製化製造有助於提高工廠(chǎng)產(chǎn)量，而矽光子能讓涉及高產(chǎn)能製程和資本設備的光學(xué)元件製造流程高度自動(dòng)化。如前所述，光子晶圓本身在生產(chǎn)電子晶圓的半導體晶圓廠(chǎng)中進(jìn)行加工製造，將光學(xué)元件整合至一個(gè)完整的模組也可以利用電子產(chǎn)業(yè)的標準流程(圖3)。

圖3 多矽光子元件整合於單一晶圓

  由於主要的裝配和測試階段可在晶圓進(jìn)行，該過(guò)程高度自動(dòng)化，每小時(shí)產(chǎn)出許多單位。透過(guò)晶圓級的能力，可利用這種生產(chǎn)流程擴大產(chǎn)能，輕鬆生產(chǎn)數以百萬(wàn)的光收發(fā)器。先進(jìn)收發(fā)器(資料速率100G~400G及以上)的大規模生產(chǎn)使資料中心得以大規模採用相關(guān)應用。

  隨著(zhù)一般光學(xué)技術(shù)，特別是矽光子，採用時(shí)間越來(lái)越短，其數量將成指數型增加，並隨著(zhù)整體部署量上升轉化為更大的規模經(jīng)濟而收獲更多好處。這種良性循環(huán)加上高速資料中心光學(xué)方面的民主化，讓矽光子成為一個(gè)特別吸引人的領(lǐng)域，值得關(guān)注。

  晶圓級測試提早除錯

  矽光子也帶來(lái)了其他好處：可靠性和可重覆性。光學(xué)元件的設計過(guò)程使用和傳統無(wú)晶圓廠(chǎng)電子公司非常類(lèi)似的工作流程。透過(guò)定義光子元件的設計並將其編入光子元件庫和設計套件，可以完全定義最終設計，由晶圓廠(chǎng)蝕刻至矽中。這讓成品的性能比傳統光學(xué)元件來(lái)得更加穩定，避免如傳統光學(xué)元件受到後期組裝步驟影響而產(chǎn)生誤差。

  矽晶圓廠(chǎng)所使用的微影和晶圓蝕刻技術(shù)已經(jīng)成熟，提供元件極佳的精準度和可重覆性。這代表統計模型和模擬可協(xié)助相關(guān)人員在設計過(guò)程(投入製作之前)確定收發(fā)器性能。當然，也可以藉由製造和測量物理元件，以證實(shí)模擬結果的準確性。透過(guò)這種方式，往往可以在產(chǎn)品生命週期早期發(fā)現並糾正與設計有關(guān)的問(wèn)題。

  一旦設計完成，矽光子還具備一項獨特的優(yōu)勢，即在光子元件切成單獨的晶片或組建為模組之前，可對其進(jìn)行晶圓級的測試。這帶來(lái)了一些有利條件，包括在製造過(guò)程早期就發(fā)現不合格的部分，標記劣質(zhì)裸晶並將其排除於模組建構過(guò)程之外，如此便能避免之後需要挑除壞裸晶，僅使用合格裸晶(Known Good Die)而造成的浪費，對整體產(chǎn)量有正面的影響。這種高度可測試的製造流程和可重覆的設計特性有助於提高設備的可靠程度。

  產(chǎn)量打造規模經(jīng)濟

  在矽晶片設計方面，大半工作落在產(chǎn)品的研發(fā)和設計階段，一旦完成設計並交送製造，就可以重覆且有效率地進(jìn)行生產(chǎn)。隨著(zhù)產(chǎn)量增加，前期設計過(guò)程的固定開(kāi)銷(xiāo)可由多個(gè)單位共同分擔。光模組在資料中心市場(chǎng)逐漸擴展，基於矽光子的光學(xué)元件也將受益於產(chǎn)量曲線(xiàn)的上升，高速光學(xué)元件在市場(chǎng)上將變得更容易取得。

  整合光學(xué)和電子元件

  雖然矽光子的主要應用是可插拔收發(fā)器模組，不過(guò)它也積極發(fā)展與電子晶片和ASIC更加緊密整合的應用。目前正在進(jìn)行研究的一個(gè)未來(lái)方向是將光學(xué)元件與交換器(Switch)ASIC緊密整合?，F在的交換器系統有很長(cháng)的電氣線(xiàn)路，從交換器晶片一直到帶有可插拔光學(xué)元件端口的前面板。隨著(zhù)訊號傳輸速度越來(lái)越快，交換器到前面板的布線(xiàn)設計難度也跟著(zhù)提高。功耗和冷卻挑戰是系統設計者的重大障礙，若光學(xué)元件能與ASIC更緊密地整合，由於訊號無(wú)須導航至前面板，交換器矽和光學(xué)I/O之間的電氣線(xiàn)路長(cháng)度可減至最短，以長(cháng)度更短、功耗更低的接口取代以前的高損耗通道(圖4)。

圖4 電氣線(xiàn)路長(cháng)度、能源效率和電氣連接類(lèi)型之間的關(guān)係

  在這個(gè)年復一年要求高成本效益光學(xué)I/O、更低系統功率和更高頻寬的世界，整合光學(xué)技術(shù)揭示了一條前進(jìn)的道路。追求整合光學(xué)方法所需的技術(shù)和製程將高度仰賴(lài)矽光子技術(shù)的成熟程度。這是直接(Direct)光學(xué)I/O充滿(mǎn)希望的長(cháng)期願景。甚至在更遠的地平線(xiàn)上，矽光子最終可能實(shí)現高頻寬光介面在晶片到晶片(Chip-to-chip)的互連。

  奠定光通訊未來(lái) 矽光子前途無(wú)量

  憑藉矽產(chǎn)業(yè)和晶圓級製程的優(yōu)勢，矽光子已經(jīng)定義了新一代光收發(fā)器製造趨勢。事實(shí)證明，矽光子對於滿(mǎn)足資料中心最新網(wǎng)路架構的要求至關(guān)重要。隨著(zhù)銅鏈路傳輸的最遠距離減少並被光學(xué)元件所取代，光收發(fā)器的需求量將繼續上升，規模效益也將隨之增加，矽光子可望藉由規模製造迎向充滿(mǎn)潛力的未來(lái)。

  (本文由Cisco提供)