IBM要將1Tbit秒的光收發(fā)器集成于2mm見方芯片

　　光通信技術(shù)用于處理器芯片間及處理器內(nèi)核間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目赡苄源鬄樘岣摺＿@是因?yàn)槊绹鳬BM開發(fā)出了以CMOS技術(shù)將光收發(fā)回路和電路集成于1枚芯片的技術(shù)“CMOS Integrated Silicon Nanophotonics”。IBM此次還公布了該技術(shù)投入使用的目標(biāo)時(shí)間。該公司稱,將把該技術(shù)應(yīng)用在定于2017～2018年開發(fā)的浮動(dòng)小數(shù)點(diǎn)運(yùn)算性能達(dá)1018FLOPS（Exa FLOPS）超級(jí)計(jì)算機(jī)（Exa機(jī)）處理器。

　　
                         IBM計(jì)劃2017～2018年開發(fā)的新一代微處理器的圖片。（圖由IBM提供）
       如果得以實(shí)現(xiàn)，則除處理器內(nèi)核內(nèi)部之外的數(shù)據(jù)傳輸用布線便可以用光通信技術(shù)封裝。這不僅對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)，而且對(duì)多種電子設(shè)備的意義都很重大。

以WDM技術(shù)大幅削減布線數(shù)量

　　IBM認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)運(yùn)算性能為目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)約1000倍的Exa機(jī)，處理器芯片間及處理器內(nèi)核間的數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)光化是不可避免的。“人類的大腦也因相當(dāng)于處理器的灰白質(zhì)和相當(dāng)于通信網(wǎng)絡(luò)的白質(zhì)兩者兼?zhèn)洳诺靡杂行Чぷ鞯?。如果白質(zhì)的數(shù)據(jù)傳輸速度低，那么好不容易得到的灰白質(zhì)就不能發(fā)揮作用” （IBM硅整合納米光子項(xiàng)目主管Yurii A. Vlasov）。IBM指出，不用電而使用光的最大原因在于：通過應(yīng)用光通信領(lǐng)域的WDM（波分復(fù)用）技術(shù)能夠大幅減少物理布線數(shù)量。 

　　IBM設(shè)想的Exa機(jī)的處理器是將集成于硅芯片上的處理器內(nèi)核、存儲(chǔ)器和光通信網(wǎng)絡(luò)三維層疊,并用TSV（硅貫通電極）連接起來的（上圖）。構(gòu)成數(shù)據(jù)傳輸路徑的基本要素技術(shù)，與現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心等使用的單位通道10Gbit/秒的光通信網(wǎng)絡(luò)沒有太大差別（圖1）。 

圖1：將大容量光通信集成于1枚芯片 

（a）為IBM芯片上光通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成。處理器內(nèi)核間的數(shù)據(jù)利用Si芯片上的光通信網(wǎng)絡(luò)傳輸。（b～e）為將光通信的各功能集成在Si芯片上的實(shí)例。WDM相當(dāng)于“高速公路的入口”。

　　然而，巨大的差異在于集成度要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。要將原來以100m為單位的光通信網(wǎng)絡(luò)縮小到1mm左右，即原來的10萬分之一左右的尺寸，并與驅(qū)動(dòng)電路等所需電路一起集成于Si芯片上。

突破混載的最大難關(guān)

　　IBM從2006年前后就已開始利用CMOS工藝開發(fā)要素技術(shù)。比如：光的延遲回路、調(diào)制器、開關(guān)及以高感度高速工作的受光器等。此次的目標(biāo)是用CMOS工藝將這些要素技術(shù)與電路混載（圖2）。 

圖2：可利用CMOS工藝制造各種光元件
圖中所示為IBM開發(fā)的工藝概要。IBM稱，光通信所需要的各種功能以標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝或?qū)ζ浼右圆糠终{(diào)整實(shí)現(xiàn)。尤其是通過在源極/漏極激活前形成受光器，能夠簡化工藝并大幅縮小芯片面積。

　　最重要的一點(diǎn)是使受光器的形成在CMOS晶體管的源極/漏極激活，即燒結(jié)處理前完成。受光器是采用鍺（Ge）的APD（avalanche photodetector）。原來由于Ge的融點(diǎn)比較低，僅為約937℃，只能在CMOS晶體管的源極/漏極激活后形成受光器。IBM通過改變Ge APD的制造方法等，使在源極/漏極激活前就能夠形成Ge APD。

　　由此，“使用的掩模在光路和電路上幾乎可通用，制造工藝本身得到了大幅簡化”（IBM的Vlasov）。

課題是向量產(chǎn)技術(shù)的過渡

　　IBM采用此次的CMOS工藝，試制了發(fā)送端的驅(qū)動(dòng)電路、調(diào)制器和WDM，以及接收端的WDM、受光器和增幅電路等各種集成于硅芯片上的元器件（圖3）。電路的集成采用了130nm工藝技術(shù)，光路的集成部分采用了65nm工藝技術(shù)。 

圖3：以單位通道0.5mm2的面積實(shí)現(xiàn)20Gbit/秒的收發(fā)元件
IBM最新的光電路混載芯片示例。（a）為光調(diào)制器與其驅(qū)動(dòng)電路、WDM發(fā)送器集成于1枚芯片。（b）為WDM接收器、受光器及增幅電路集成于1枚芯片。收發(fā)元件合計(jì)面積為3.1mm2。單位通道以約0.5mm2的面積實(shí)現(xiàn)。

　　單位通道的傳輸速度為20Gbit/秒，單位通道的占用面積僅占整個(gè)光收發(fā)器的約0.5mm2。IBM稱“占用面積為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的1/10以下”。IBM表示，現(xiàn)在的目標(biāo)是進(jìn)一步提高集成度，以實(shí)際4mm2左右的芯片面積實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于數(shù)據(jù)傳輸容量1Tbit/秒的光收發(fā)器。

　　剩下的課題是將開發(fā)的技術(shù)應(yīng)用于量產(chǎn)工藝。IBM自信地表示：“在今后幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)當(dāng)然并不容易，但迄今我們已解決了多種課題”（Vl asov ）。