基于45 nm CMOS工藝的硅基光電融合單片集成光互連芯片

  1、工作簡(jiǎn)介

  伴隨人工智能、機器學(xué)習和高性能計算等新一代信息技術(shù)的迅猛進(jìn)步，數據搬移對互連的寬帶和能效需求指數型提升。電互連受限于導線(xiàn)損耗和微電子工藝演進(jìn)，難以滿(mǎn)足未來(lái)超高帶寬、百米距離扁平化網(wǎng)絡(luò )連接的需求。硅基光互連技術(shù)利用CMOS成熟節點(diǎn)工藝制備集成光路與電路，在計算芯片封裝內構建光輸入/輸出接口（optical I/O），極大地延伸了芯片間低延時(shí)數據互連，為構建大容量數據傳輸的高能效、大規模并行計算系統奠定了堅實(shí)基礎。

  與傳統網(wǎng)絡(luò )通信不同，計算互連要求極高的帶寬密度、能耗效率與極低的延時(shí)，這決定了其并行多通道的系統架構，以及無(wú)DSP輔助下超低誤碼率（BER<10-12）的需求。但值得注意的是，基于分立光電子芯片的封裝集成不僅限制了芯片規模，還在關(guān)鍵性能方面造成顯著(zhù)惡化：封裝鍵合引入的寄生損害了信號完整性，高頻信號進(jìn)出芯片增加了不必要的功耗。硅基光電融合單片集成技術(shù)，在硅襯底上將光器件與電路一體化設計和單芯片制備，可打破互連帶寬和能效的固有瓶頸，顯著(zhù)降低封裝復雜性并降低收發(fā)功耗，被認為是推動(dòng)人工智能、高性能計算和數據中心網(wǎng)絡(luò )可持續發(fā)展的核心支撐技術(shù)。

  中國科學(xué)院半導體研究所李明研究員團隊與祁楠研究員團隊合作研制出國內首款基于45 nm CMOS工藝的硅基光電融合單片集成光互連芯片，成功實(shí)現了光電子與微電子等器件的單片融合集成，單通道支持64 Gb/s傳輸速率，借助微環(huán)諧振波分復用技術(shù)，4通道單向總帶寬達到256 Gb/s。圖1顯示了該硅基光電融合單片集成光互連芯片，單片集成了微環(huán)調制器、微環(huán)濾波器、熱相移器和光電探測器等光學(xué)器件，以及驅動(dòng)器和跨阻放大器等電學(xué)器件。

圖 1. 硅基光電融合單片集成光互連芯片實(shí)物圖及系統框圖。

  圖2為芯片封裝測試實(shí)物圖，圖3為大信號測試結果，單通道光收發(fā)芯片均可以實(shí)現清晰的64 Gb/s眼圖信號傳輸，收發(fā)芯片總能效達到2.85 pJ/bit，比特誤碼率可達到10-12以下。

圖 2. 芯片測試板實(shí)物圖。

圖 3. 4通道發(fā)射機和接收機的眼圖，單通道速率為64 Gb/s NRZ。

  圖4展示了本項工作與國際代表性成果的對比，其中與光電單片集成技術(shù)國際領(lǐng)先的Ayar Labs公司2024年報導結果相比，本文實(shí)測單通道速率由32 Gb/s提升至64 Gb/s，具備更高的收發(fā)能耗效率，為更多通道并行的帶寬拓展提供了更好的性能前景。

圖 4. 與國際相關(guān)代表性成果的性能比較。

  該工作以 “A 256 Gb/s Electronic-Photonic Monolithically Integrated Transceiver in 45 nm CMOS”為題目，在Journal of Semiconductor上發(fā)表短篇通信論文，快速報導了成果與進(jìn)展。

  本工作得到國家自然科學(xué)基金資助：國家杰出青年基金項目(61925505)，集成芯片前沿技術(shù)科學(xué)基礎重大研究計劃項目(92373209)，重點(diǎn)基金項目(62235017)。

  關(guān)于作者：李昂，目前于中國科學(xué)院半導體研究攻讀博士學(xué)位。目前主要研究方向為硅光子學(xué)的高速光電器件和光電集成。