ICC訊 “科創(chuàng)V計(jì)劃——燕緣科創(chuàng)大講堂”由北京大學(xué)校友會指導(dǎo),北京創(chuàng)業(yè)投資協(xié)會與北大校友“燕緣雄芯”平臺、北京大學(xué)科技創(chuàng)新校友會聯(lián)合主辦,將每周一個(gè)小時(shí)線上深度分享,聚焦科創(chuàng)話題,傳遞科創(chuàng)星火。
10月23日,“燕緣科創(chuàng)”第26期邀請了北京大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師、電子學(xué)系副主任王興軍,分享了《硅基光電子集成芯片 — 光電融合的核心技術(shù)》。
王興軍,北京大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師,電子學(xué)系副主任,區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任,信息與通信研究所副所長。
以下是直播分享內(nèi)容概要:
硅基光電子技術(shù)是利用硅或與硅工藝兼容的其他材料,開發(fā)以光子、電子為載體的微納量級信息功能器件,并將它們在同一硅襯底上大規(guī)模集成,形成一個(gè)完整的具有綜合功能的新型芯片單元。
硅基光電子技術(shù)是實(shí)現(xiàn)“光電融合”的最佳方法,早在上個(gè)世紀(jì)60年代就提出,但受限于硅自身發(fā)光效率低、無法做成光源的致命缺點(diǎn),一直沒有進(jìn)展。80年代,美國Soref 教授提出了硅基光電子集成概念,2004年 Intel報(bào)道了1Gb/s速率的硅基調(diào)制器,2003年后,逐步的研究中發(fā)現(xiàn)探測器可以用鍺來做,硅基激光源方面用三五族材料來做部分解決了硅本質(zhì)問題,逐步做到了部分集成。
2016年,Intel最早做出100G硅光收發(fā)器投以商用,之后很多產(chǎn)品以及公司相繼出現(xiàn)?,F(xiàn)在可以做到400G,未來可能做到1T或者更高。目前主要在數(shù)據(jù)中心和通訊應(yīng)用,未來在傳感、計(jì)算等領(lǐng)域還會有更多的應(yīng)用。
硅基光電子學(xué)市場應(yīng)用前景廣闊,預(yù)估2019年市場有4億多美金,2025年有40~50億美金,年增長率約40%。主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)閿?shù)據(jù)中心光模塊、長距光傳輸模塊、光互連、5G光模塊、無人駕駛LiDAR、免疫測試、光纖陀螺等。
目前,硅基光電子集成技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)相對成熟完整,仿真軟件、設(shè)計(jì)公司、驅(qū)動電路、研發(fā)線、封測、光器件光模塊、設(shè)備商、運(yùn)營商等領(lǐng)域都有相應(yīng)的一系列公司出現(xiàn)。硅光遵循微電子的腳步發(fā)展,產(chǎn)業(yè)鏈逐漸分化,無晶圓廠的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)已經(jīng)形成。相比較,硅光產(chǎn)業(yè)成長速度比微電子快2倍,當(dāng)前專注于硅光IP開發(fā)和模塊生產(chǎn)、封測的公司已經(jīng)陸續(xù)成立,20年后,硅光產(chǎn)業(yè)的成熟度將接近微電子。
目前,硅基光電子主要應(yīng)用領(lǐng)域有:
1. 數(shù)據(jù)中心方面應(yīng)用
我國在部署七大新基建,包括5G基建、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等直接投資將達(dá)10萬億元左右,帶動投資累積或超17萬億元。
其中,5G基建和大數(shù)據(jù)中心投入很大,與硅光有密切聯(lián)系。大數(shù)據(jù)中心主要由交換機(jī)、服務(wù)器以及用于硬件互連的光電子芯片、光模塊組成。處理器之間,交換機(jī)之間,都要用到光連接,光連接的速度會越來越快。5G應(yīng)用方面,光電子芯片、光模塊是實(shí)現(xiàn)5G高速、低延時(shí)通信的核心技術(shù),也是5G低成本、廣覆蓋的關(guān)鍵。
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從阿里的roadmap可以看到帶寬從2013年的40G到2019年實(shí)現(xiàn)400G,平均每兩年翻一番,2023年預(yù)計(jì)達(dá)到1.6T,但新的標(biāo)準(zhǔn)還沒有制定下來,還有很多研究價(jià)值和空間。
數(shù)據(jù)中心方面還有一些比較偏學(xué)術(shù)的研究方向需要解決,主要包括:電泵CMOS兼容硅基光源問題、Tb/s速率、功耗問題、高速多通道光子集成陣列問題、電光單片集成問題、波導(dǎo)損耗和放大問題、共封裝技術(shù)等。
2. 5G通信方面應(yīng)用
繼數(shù)據(jù)中心之后的下一個(gè)有希望部署硅基收發(fā)機(jī)的場景為5G前傳模塊。Intel的100Gbps已經(jīng)初步應(yīng)用到5G前傳中驗(yàn)證。歐盟地平線2020項(xiàng)目“Teraboard”,針對5G基站之間處理單元,芯片間的高速互聯(lián)提出了Tbit高速互聯(lián)集成光電架構(gòu)。目標(biāo)實(shí)現(xiàn)ASIC處理器芯片間Tbit級高速互聯(lián)。該架構(gòu)采用3D TSV封裝方式實(shí)現(xiàn)光電芯片融合,芯片間互聯(lián)通路采用PLC多層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
3. 光通信方面應(yīng)用
目前光通信方面的應(yīng)用發(fā)展方向是超高傳輸速率的瓶頸突破、長距離傳輸方案的比較(直接檢測/相干檢測)與新型材料的硅基光通信系統(tǒng)探索。
北大張帆老師團(tuán)隊(duì)基于單個(gè)硅基調(diào)制器,可以實(shí)現(xiàn)200Gb/s甚至更高的但波長傳輸速率。
高速率硅基IQ調(diào)制器(single lane 200Gb/s (80Gbaud) PAM-6 and 176Gb/s (88Gbaud) PAM-4)
硅光子芯片在100G,400G及以上的高速短距光通信場景中優(yōu)勢明顯。2020年初,Acacia宣布出樣包括400ZR, OPENZR+和Open ROADM MSA的多種400G 可插拔硅光相干模塊,并稱將繼續(xù)擴(kuò)大相干技術(shù)在更短距離中的應(yīng)用。
當(dāng)前的相干產(chǎn)品主要是100G速率,在光源端采用外部光源加放大器的形式,但是CFP和CFP2這兩種封裝體積過大,并且功耗問題也很嚴(yán)重。硅光方案的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在相干調(diào)制以及合分波器件的高度集成化,加上完善的溫控設(shè)計(jì),可以大幅解決相干產(chǎn)品的缺陷。硅光子集成芯片的規(guī)模商用有望使得相干技術(shù)降低成本,進(jìn)而下沉到核心與匯聚層。
中山大學(xué)蔡新倫教授和華南師范大學(xué)劉柳教授團(tuán)隊(duì)做的新型大帶寬、高速片上LN調(diào)制器(SiP+LN),獲得70GHz帶寬,實(shí)現(xiàn)超過100Gb/s速率傳輸。
北京大學(xué)和UCSB合作基于AlGaAsOI實(shí)現(xiàn)新型低功耗、高效率的片上光頻梳。在非常小的閾值下實(shí)現(xiàn)光梳20μW。
4. 人工智能方面應(yīng)用
深度學(xué)習(xí)硬件方面遇到很多問題,運(yùn)算量越來越大,反復(fù)運(yùn)算,能耗速率都會受到制約。光的功耗低,速度快,理論上可以解決深度學(xué)習(xí)中電的功耗和速率瓶頸。2017年,MIT提出了一種全新的光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),這種架構(gòu)在理論上,相比于傳統(tǒng)的電子設(shè)備,可以大大提升計(jì)算的速度和功耗。他們將這種光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于一套可編程的納米光子處理器中,利用光子芯片的全光矩陣乘法實(shí)現(xiàn)了這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。
這種設(shè)計(jì)的芯片用于語音識別,經(jīng)過深度學(xué)習(xí)后,通過對可編程硅光電子芯片的訓(xùn)練,實(shí)現(xiàn)了76.7%的語音識別率,實(shí)驗(yàn)中識別的準(zhǔn)確率可以媲美當(dāng)前在計(jì)算機(jī)中利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法得到的結(jié)果,同時(shí)能量消耗和速度性能優(yōu)于當(dāng)前的微電子系統(tǒng)。
2019年,英國牛津大學(xué)基于氮化硅微環(huán)結(jié)構(gòu)和相變材料,利用波分復(fù)用結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了全光類腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),具備監(jiān)督學(xué)習(xí)和無監(jiān)督學(xué)習(xí)能力。通過對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,實(shí)現(xiàn)了對15個(gè)像素點(diǎn)圖片的識別。
5. 其他方面應(yīng)用
激光雷達(dá)也是硅光有很大發(fā)展的方向,光學(xué)相控陣方案具有慣性(精度高、可控性好)、寬視角掃描、便于小型化等特點(diǎn)。加利福尼亞大學(xué)的Ben Yoo課題組通過 3D集成方案,將發(fā)射機(jī)中的相控陣及電控模塊集成在里一起;MIT的Watts組也報(bào)道了基于相干方案的集成相控陣報(bào)道;今年,三星電子在CLEO上報(bào)道了他們的集成相控陣樣片,其中還將片上放大器也集成了上去,能夠?qū)崿F(xiàn) 40m的探測距離。
光學(xué)相控陣方案的激光雷達(dá)當(dāng)前系統(tǒng)層集成主要集中在相控陣及電控模塊本身,距離實(shí)用還需要在一些關(guān)鍵器件上取得突破。
除了激光雷達(dá)應(yīng)用,集成光學(xué)陀螺儀也是重要的應(yīng)用 之一。2018年,caltech就報(bào)道了目前世界上尺寸最小的光學(xué)陀螺儀芯片,它的尺寸是傳統(tǒng)MEMS陀螺儀的500分之一,同時(shí)可檢測的薩格納克相移也是原來的30分之一。
在光傳感方面,依托成熟的 CMOS工藝,今年許多課題組也報(bào)道了許多相關(guān)工作,例如溶液氣體成分的檢測、生物檢測、量子自旋態(tài)檢測等。
我是在北京大學(xué)電子學(xué)系區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京大學(xué)納光電子前沿科學(xué)中心,我們團(tuán)隊(duì)大概有30人,主要研究以光子和電子為信息載體的大規(guī)模集成芯片和信息系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)在各種尺度上的感知、互連和處理,研究內(nèi)容包括高速硅基光收發(fā)芯片和系統(tǒng),微波光電子芯片與系統(tǒng),硅基片上光放大器與激光器,硅基傳感/二維材料/非線性等新型器件。
我們已經(jīng)掌握了幾十種硅基光電子單元器件/芯片,以及和光子芯片相配套的微電子芯片的設(shè)計(jì)、流片和測試的經(jīng)驗(yàn)。
從最近兩年的OFC和IEDM會議、以及高影響論文情況來看, 國際上硅基光電子發(fā)展的趨勢是依托于硅基CMOS平臺, 大規(guī)模的集成化。我國最近幾年在微電子和光電子方面加大投入,需要這兩個(gè)領(lǐng)域真正的協(xié)同攻關(guān)。硅光的市場將在未來幾年迅猛發(fā)展,更高的集成度將成為未來十年硅光在數(shù)據(jù)中心的重點(diǎn),另外新的應(yīng)用(傳感,量子計(jì)算通信,醫(yī)療)將不斷涌現(xiàn),成為新的增長點(diǎn)。
Q&A
問:英特爾是目前最早商用的么?不知能做到的大規(guī)模商用最高速率是多少?聽說良率仍然在一半以下?
答:一些小公司在Intel之前有一些,但是大規(guī)模能夠提供商用產(chǎn)品的還是Intel,速率是100Gb/s,目前相干最高可以做到400Gb/s。良率確實(shí)是個(gè)問題,是不是一半以下沒有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),這涉及到波長對準(zhǔn),不同器件工藝、封裝等問題,都會有影響。
問:王老師,您對海信和光迅做的硅光芯片評價(jià)如何?
答:做的挺好的,光模塊廠商認(rèn)為400G是個(gè)拐點(diǎn),未來速度越來越高,硅光的優(yōu)勢才能得以體現(xiàn),但是也不能說硅光可以完全替代三五族材料,現(xiàn)在國內(nèi)的問題是,基本上還是依靠國外工藝平臺,目前國內(nèi)也有幾個(gè)工藝平臺在建,希望能解決這個(gè)問題。