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矽光子的發展與挑戰(四):產業挑戰

由於產業進展速度不相同,PIC與EIC所需的晶圓生產規模與標準也大相逕庭。

矽基光子整合線路概念肇始於1985年,在1991、1992年時於SOI(Silicon-On-Insulator)晶圓上,展示低光子損失的波導。90年代初期的先進製程大致落在0.6~0.8微米之間,這還是6吋廠的年代。這個臨界尺度比現在大部分的光子元件都大,那時若有比較成熟的光子元件與PIC(光子整合線路),和電子元件與EIC(電子整合線路)的整合是有說服力的,因為做出的光子元件尺寸與電子元件尺寸不會相差過大。 
 
但是現在矽光子才開始要啟動量產階段。現在矽光子所要開啟的時代叫大尺度整合(LSI;Large-Scale Integration),其定義是一個晶片上的光子元件數目在500~10,000個之間。下一個階段的超大規模尺度整合(VLSI;Very Large-Scale Integration),亦即光子元件數目大於10,000個的整合晶片。熟悉電子積體電路的讀者看到這個數目想必會啞然失笑,現在較先進的半導體產品其門數(gate count)動輒上千億乃至於兆以上, LSI上光子元件數目真的見小了。 
 
晶片上光子元件的數目如此受限,其癥結在於光子元件的尺度取決於矽的透明波長及折射率,結果就在毫米尺度範圍。以任何PIC一定會用得著的波導來看,最小的波導寛220~500奈米、高220~300奈米之間,長度則從微米到毫米。其它的光子元件,如MHI、感測器的面積從幾百微米平方至幾毫米平方不等,其他的調制器也都在這個數量級。 
 
除了光子元件本身所佔的空間之外,光子元件之間為避免互相干擾必須留有的間距,其實比光子元件本身更大。所以光子元件未來面臨的第一個挑戰就是利用PIC設計、材料與結構創新以縮小光子元件的尺寸。 
 
一個晶片上容許的光子元件太少很難執行複雜的功能,幸好目前的LSI大致可以滿足當下迫切需要的短、中距通訊應用需求。 
 
第二個問題仍然是尺度的問題。PIC與EIC二者尺寸之間相差幾個階秩,這就造成單晶片整合(monolithic integration)中PIC與EIC難以匹配的問題。 
 
舉例來說,格羅方德(GlobalFoundries;GF)矽光子代工平台使用12吋45奈米SOI晶圓。對於EIC來講,45奈米也許是適合的製程平台,但是SOI晶圓的價格比常規的12吋晶圓價格是倍數的昂貴;對於PIC而言,用12吋45奈米製程是大材小用,單只是PIC的話,8吋的製程足矣。何況對於目前的目標應用AI伺服器上的短、中距離通訊,高速、寬頻、低功耗的需求是顯而易見的,滿足這些需求可能需要至少22奈米才能製造的FinFET。EIC與PIC的相容性益發緊張。 
 
幸好先進封裝也同時在此時興盛,這使得矽光子元件的整合變得有彈性,選項包括2.5D封裝、3D封裝、異質整合(heterogeneous integration)等。 
 
以目前即將進入量產的大型平行光學元件(LPO;Large Parallel Optics)以及聯合封裝光學元件(CPO;Co-Packaged Optics)為例,二者都是以2.5D先進封裝的方式來整合EIC及PIC,以達到低延遲(latency)、低功耗以及其他的優點。 
 
另一個問題是生態發展。矽光子元件整個產業鏈生態面臨的問題之一,是來自於光子元件的多樣化。 
 
電子的EIC主要構成分子就是電晶體。雖然電晶體實際上還是有不同的種類、具有不同的特性,譬如邏輯線路的電晶體比較注重快速開關(switch)以提高運算效能;而DRAM線路的電晶體比較留意漏電流(leakage current),以延長資訊保留時間(retention time)。但是即使電晶體的特性是有些不同,電晶體做為積體線路架構的基本單元是毋庸置疑的。 
 
但是PIC的狀況完全不同,尤其是負責編碼光子訊息的調制器,種類繁多。又由於現在一個晶片上光子元件數目還在可控範圍之內,PIC設計工程師比較有機會去選擇元件並調整其參數藉以優化整體PIC的效能,也就是設計工程師看起來更像元件工程師(device engineer)。這使得晶片上調制器看起來五花八門,也在未來代工平台的製程標準化平添一些小障礙。 
 
另外的問題還有做為PIC代工產業的輔助生態架構問題,包括EDA、IP、PDK(Process Design Kit)、整合元件測試等問題。這些問題在矽光子代工過去做的比較久的GF著墨比較多,對於即將進入量產的其他公司應該也不會造成太大的障礙,畢竟這些都是在以前EIC代工業務發展過程都經歷過的。 

AI興起之後,預計晶片與晶片之間、伺服器與伺服器之間的短、中距通訊會變成主要的通訊型態,甚至超過資料中心與終端用戶之間的通訊量。由此強大需求來驅動矽光子技術的發展以及生產體制的成熟、完善是產業界的優先之事。

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。