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(shè)備數(shù)量使資訊中心資料傳輸壓力倍增，繼續(xù)以銅作為傳輸介質(zhì)將難以招架。光通訊將成為設(shè)備高速傳輸?shù)木刃?，使用「矽」作為光學(xué)元件的趨勢(shì)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(duì)網(wǎng)路頻寬永不滿足的需求是新資料中心技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力。在影音應(yīng)用、雲(yún)端服務(wù)、遊戲和連接設(shè)備數(shù)量增加的推動(dòng)下，網(wǎng)路營(yíng)運(yùn)商持續(xù)面臨升級(jí)和擴(kuò)大網(wǎng)路容量的壓力，同時(shí)也須盡量降低部署新硬體設(shè)備的成本。雖然硬體升級(jí)的重點(diǎn)常放在網(wǎng)路設(shè)備，如路由器、交換器和伺服器，但這些設(shè)備之間的光互連在資本支出和營(yíng)運(yùn)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(xiàng)關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，收發(fā)器為可插拔光模組，將電訊號(hào)轉(zhuǎn)換為光訊號(hào)再轉(zhuǎn)換回來(lái)。這些模組插入網(wǎng)路設(shè)備中，並端接至貫穿整個(gè)網(wǎng)路物理基礎(chǔ)設(shè)施的光纖布線。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(dǎo)等光學(xué)元件來(lái)進(jìn)行操縱和調(diào)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(gòu)光學(xué)元件的趨勢(shì)。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(xiàn)高速光學(xué)元件民主化帶來(lái)希望曙光。矽光子技術(shù)長(zhǎng)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(jù)重要地位。由於資料中心營(yíng)運(yùn)商需要大量的光模組，這項(xiàng)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(guī)模經(jīng)濟(jì)

  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(guī)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(guī)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、材料供應(yīng)鏈、自動(dòng)化工具及電子晶片設(shè)計(jì)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)沿著不同的技術(shù)路線發(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(guī)模經(jīng)濟(jì)。不過(guò)，光學(xué)元件的大規(guī)模生產(chǎn)已經(jīng)取得顯著進(jìn)展。在1990年代末期的電信熱潮下，對(duì)規(guī)模製造的關(guān)注開(kāi)始加速，並且隨著越來(lái)越多光學(xué)元件部署於資料中心，因?yàn)殂~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(xù)發(fā)展。在雲(yún)端運(yùn)算和超大規(guī)模資料中心，大規(guī)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(duì)滿足資料中心光學(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(qū)動(dòng)的產(chǎn)品需求已足夠多，矽光子可善用矽製造中現(xiàn)有的大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施。借力現(xiàn)有供應(yīng)鏈和晶圓廠，矽光子技術(shù)能實(shí)現(xiàn)光子晶圓大規(guī)模生產(chǎn)。矽光子現(xiàn)已成熟到可常規(guī)部署於真實(shí)網(wǎng)路，並為終端用戶提供真正的價(jià)值。本文說(shuō)明矽光子的優(yōu)勢(shì)，並引用思科(Cisco)矽光子技術(shù)資料庫(kù)的例子。

  矽光子運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)的商用晶圓廠進(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(shè)計(jì)，這些元件和設(shè)計(jì)可用於矽晶圓廠，以生產(chǎn)整合於單個(gè)晶片的光子系統(tǒng)。

  光收發(fā)器在發(fā)射端將電訊號(hào)轉(zhuǎn)換為光訊號(hào)，並在網(wǎng)路鏈路的接收端將光訊號(hào)轉(zhuǎn)換回電訊號(hào)。透過(guò)追蹤光進(jìn)入和離開(kāi)設(shè)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(cè)面。波導(dǎo)引導(dǎo)光線通過(guò)晶片，矽基光感測(cè)器(Photodetector)偵測(cè)光線，並將訊號(hào)轉(zhuǎn)換為電訊號(hào)，由設(shè)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(dǎo)至晶片中。接著，需要將光調(diào)變?yōu)閿y帶訊息的訊號(hào)連接器。最後，光耦合輸出晶片，進(jìn)入光纖，透過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)來(lái)看，光子元件一直是分立的，並且採(cǎi)用矽以外的底材，如磷化銦或砷化鎵。事實(shí)上，針對(duì)同一元件，不同供應(yīng)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(shè)計(jì)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(guī)模。光子裸晶可以和負(fù)責(zé)電氣訊號(hào)處理的電子裸晶緊密配對(duì)及整合。圖2為100-Gbps光模組範(fàn)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(guī)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(yīng)用範(fàn)例

  矽光子帶來(lái)多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)

  產(chǎn)量大幅提升

  減少手工或客製化製造有助於提高工廠產(chǎn)量，而矽光子能讓涉及高產(chǎn)能製程和資本設(shè)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(dǎo)體晶圓廠中進(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(biāo)準(zhǔn)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(cè)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(jí)的能力，可利用這種生產(chǎn)流程擴(kuò)大產(chǎn)能，輕鬆生產(chǎn)數(shù)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(guī)模生產(chǎn)使資料中心得以大規(guī)模採(cǎi)用相關(guān)應(yīng)用。

  隨著一般光學(xué)技術(shù)，特別是矽光子，採(cǎi)用時(shí)間越來(lái)越短，其數(shù)量將成指數(shù)型增加，並隨著整體部署量上升轉(zhuǎn)化為更大的規(guī)模經(jīng)濟(jì)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(jí)測(cè)試提早除錯(cuò)

  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(shè)計(jì)過(guò)程使用和傳統(tǒng)無(wú)晶圓廠電子公司非常類似的工作流程。透過(guò)定義光子元件的設(shè)計(jì)並將其編入光子元件庫(kù)和設(shè)計(jì)套件，可以完全定義最終設(shè)計(jì)，由晶圓廠蝕刻至矽中。這讓成品的性能比傳統(tǒng)光學(xué)元件來(lái)得更加穩(wěn)定，避免如傳統(tǒng)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(zhǔn)度和可重覆性。這代表統(tǒng)計(jì)模型和模擬可協(xié)助相關(guān)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程(投入製作之前)確定收發(fā)器性能。當(dāng)然，也可以藉由製造和測(cè)量物理元件，以證實(shí)模擬結(jié)果的準(zhǔn)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(xiàn)並糾正與設(shè)計(jì)有關(guān)的問(wèn)題。

  一旦設(shè)計(jì)完成，矽光子還具備一項(xiàng)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，即在光子元件切成單獨(dú)的晶片或組建為模組之前，可對(duì)其進(jìn)行晶圓級(jí)的測(cè)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(xiàn)不合格的部分，標(biāo)記劣質(zhì)裸晶並將其排除於模組建構(gòu)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(fèi)，對(duì)整體產(chǎn)量有正面的影響。這種高度可測(cè)試的製造流程和可重覆的設(shè)計(jì)特性有助於提高設(shè)備的可靠程度。

  產(chǎn)量打造規(guī)模經(jīng)濟(jì)

  在矽晶片設(shè)計(jì)方面，大半工作落在產(chǎn)品的研發(fā)和設(shè)計(jì)階段，一旦完成設(shè)計(jì)並交送製造，就可以重覆且有效率地進(jìn)行生產(chǎn)。隨著產(chǎn)量增加，前期設(shè)計(jì)過(guò)程的固定開(kāi)銷可由多個(gè)單位共同分擔(dān)。光模組在資料中心市場(chǎng)逐漸擴(kuò)展，基於矽光子的光學(xué)元件也將受益於產(chǎn)量曲線的上升，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(yīng)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(yīng)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。現(xiàn)在的交換器系統(tǒng)有很長(zhǎng)的電氣線路，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。隨著訊號(hào)傳輸速度越來(lái)越快，交換器到前面板的布線設(shè)計(jì)難度也跟著提高。功耗和冷卻挑戰(zhàn)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(hào)無(wú)須導(dǎo)航至前面板，交換器矽和光學(xué)I/O之間的電氣線路長(zhǎng)度可減至最短，以長(zhǎng)度更短、功耗更低的接口取代以前的高損耗通道(圖4)。

圖4 電氣線路長(zhǎng)度、能源效率和電氣連接類型之間的關(guān)係

  在這個(gè)年復(fù)一年要求高成本效益光學(xué)I/O、更低系統(tǒng)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)和製程將高度仰賴矽光子技術(shù)的成熟程度。這是直接(Direct)光學(xué)I/O充滿希望的長(zhǎng)期願(yuàn)景。甚至在更遠(yuǎn)的地平線上，矽光子最終可能實(shí)現(xiàn)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(jí)製程的優(yōu)勢(shì)，矽光子已經(jīng)定義了新一代光收發(fā)器製造趨勢(shì)。事實(shí)證明，矽光子對(duì)於滿足資料中心最新網(wǎng)路架構(gòu)的要求至關(guān)重要。隨著銅鏈路傳輸?shù)淖钸h(yuǎn)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(xù)上升，規(guī)模效益也將隨之增加，矽光子可望藉由規(guī)模製造迎向充滿潛力的未來(lái)。

  (本文由Cisco提供)