資料中心傳輸壓力飆升 矽製程光通訊元件神救援

  新興服務和增加的連接設備數(shù)量使資訊中心資料傳輸壓力倍增，繼續(xù)以銅作為傳輸介質將難以招架。光通訊將成為設備高速傳輸?shù)木刃?，使用「矽」作為光學元件的趨勢更將改變既有製造生態(tài)，創(chuàng)造前景可期的「矽光子」未來。

  對網路頻寬永不滿足的需求是新資料中心技術發(fā)展的驅動力。在影音應用、雲端服務、遊戲和連接設備數(shù)量增加的推動下，網路營運商持續(xù)面臨升級和擴大網路容量的壓力，同時也須盡量降低部署新硬體設備的成本。雖然硬體升級的重點常放在網路設備，如路由器、交換器和伺服器，但這些設備之間的光互連在資本支出和營運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關鍵驅動因素，收發(fā)器為可插拔光模組，將電訊號轉換為光訊號再轉換回來。這些模組插入網路設備中，並端接至貫穿整個網路物理基礎設施的光纖布線。與作為網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等光學元件來進行操縱和調變，以便在光纖鏈路上傳送訊息。

  本文特別關注使用「矽」建構光學元件的趨勢。所謂的「矽光子(Silicon Photonics)」技術為提高光學元件的整合程度和透過大量生產實現(xiàn)高速光學元件民主化帶來希望曙光。矽光子技術長期以來一直受到光通訊產業(yè)的關注，近年來在資料中心網路中占據(jù)重要地位。由於資料中心營運商需要大量的光模組，這項技術越來越常用於高速網路。

  光通訊發(fā)展史：從小眾市場走向規(guī)模經濟

  回顧歷史，光學產業(yè)一直被視為利基市場，特別是與矽電子產業(yè)的非凡規(guī)模相比。經過幾十年的努力，電子產業(yè)已經開發(fā)出基於微影技術的矽晶圓大規(guī)模製造程序。電子元件的龐大市場進一步推動業(yè)者投資先進晶圓廠、材料供應鏈、自動化工具及電子晶片設計流程。

  光通訊市場一直以來都比電子產業(yè)小得多，光學技術沿著不同的技術路線發(fā)展，使用砷化鎵或磷化銦等底材而非矽晶圓，製造技術在本質上更傾向定製，並未和電子產業(yè)一樣受益於規(guī)模經濟。不過，光學元件的大規(guī)模生產已經取得顯著進展。在1990年代末期的電信熱潮下，對規(guī)模製造的關注開始加速，並且隨著越來越多光學元件部署於資料中心，因為銅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。在雲端運算和超大規(guī)模資料中心，大規(guī)模部署光學元件的作法已十分普遍。目前來說，大量製造的能力對滿足資料中心光學元件的需求至關重要。

  這就是矽光子變得有趣的地方。經過多年的研究和開發(fā)，該技術已經成熟，同時，由光收發(fā)器市場驅動的產品需求已足夠多，矽光子可善用矽製造中現(xiàn)有的大規(guī)?；A設施。借力現(xiàn)有供應鏈和晶圓廠，矽光子技術能實現(xiàn)光子晶圓大規(guī)模生產。矽光子現(xiàn)已成熟到可常規(guī)部署於真實網路，並為終端用戶提供真正的價值。本文說明矽光子的優(yōu)勢，並引用思科(Cisco)矽光子技術資料庫的例子。

  矽光子運作原理

  矽光子技術將高速收發(fā)器的關鍵光子元件和功能整合至矽底材中，使其能夠在標準的商用晶圓廠進行製造。矽光子技術的發(fā)展主要聚焦於建立和鑒定光學元件和相關設計，這些元件和設計可用於矽晶圓廠，以生產整合於單個晶片的光子系統(tǒng)。

  光收發(fā)器在發(fā)射端將電訊號轉換為光訊號，並在網路鏈路的接收端將光訊號轉換回電訊號。透過追蹤光進入和離開設備的過程，可以找出收發(fā)器的關鍵光學元件。為了接收光，必須有一個與矽的耦合介面，其可透過光柵耦合(Grating Coupling)垂直穿過晶片頂部，或者透過邊緣耦合(Edge Coupling)穿過矽的側面。波導引導光線通過晶片，矽基光感測器(Photodetector)偵測光線，並將訊號轉換為電訊號，由設備的電子部分進行讀取作業(yè)。

  首先，在發(fā)射端，由雷射產生光並引導至晶片中。接著，需要將光調變?yōu)閿y帶訊息的訊號連接器。最後，光耦合輸出晶片，進入光纖，透過一個標準介面進入收發(fā)器模組外部的光纖電纜(圖1)。

  圖1 光收發(fā)器示意圖

  從過往經驗來看，光子元件一直是分立的，並且採用矽以外的底材，如磷化銦或砷化鎵。事實上，針對同一元件，不同供應商甚至可能使用不同的製造方式。但是，如果每個元件都能使用同樣的矽製程進行製造，就可以設計和製造一個完全整合的光學晶片，充分利用CMOS製程的成熟程度和既有規(guī)模。光子裸晶可以和負責電氣訊號處理的電子裸晶緊密配對及整合。圖2為100-Gbps光模組範例，整個收發(fā)器的功能整合於一個晶片組中。遇到需要大規(guī)模生產光學元件的時候，整合所能創(chuàng)造的價值不容小覷。

圖2 基於100-Gbps光模組的矽光子應用範例

  矽光子帶來多項優(yōu)勢

  產量大幅提升

  減少手工或客製化製造有助於提高工廠產量，而矽光子能讓涉及高產能製程和資本設備的光學元件製造流程高度自動化。如前所述，光子晶圓本身在生產電子晶圓的半導體晶圓廠中進行加工製造，將光學元件整合至一個完整的模組也可以利用電子產業(yè)的標準流程(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試階段可在晶圓進行，該過程高度自動化，每小時產出許多單位。透過晶圓級的能力，可利用這種生產流程擴大產能，輕鬆生產數(shù)以百萬的光收發(fā)器。先進收發(fā)器(資料速率100G~400G及以上)的大規(guī)模生產使資料中心得以大規(guī)模採用相關應用。

  隨著一般光學技術，特別是矽光子，採用時間越來越短，其數(shù)量將成指數(shù)型增加，並隨著整體部署量上升轉化為更大的規(guī)模經濟而收獲更多好處。這種良性循環(huán)加上高速資料中心光學方面的民主化，讓矽光子成為一個特別吸引人的領域，值得關注。

  晶圓級測試提早除錯

  矽光子也帶來了其他好處：可靠性和可重覆性。光學元件的設計過程使用和傳統(tǒng)無晶圓廠電子公司非常類似的工作流程。透過定義光子元件的設計並將其編入光子元件庫和設計套件，可以完全定義最終設計，由晶圓廠蝕刻至矽中。這讓成品的性能比傳統(tǒng)光學元件來得更加穩(wěn)定，避免如傳統(tǒng)光學元件受到後期組裝步驟影響而產生誤差。

  矽晶圓廠所使用的微影和晶圓蝕刻技術已經成熟，提供元件極佳的精準度和可重覆性。這代表統(tǒng)計模型和模擬可協(xié)助相關人員在設計過程(投入製作之前)確定收發(fā)器性能。當然，也可以藉由製造和測量物理元件，以證實模擬結果的準確性。透過這種方式，往往可以在產品生命週期早期發(fā)現(xiàn)並糾正與設計有關的問題。

  一旦設計完成，矽光子還具備一項獨特的優(yōu)勢，即在光子元件切成單獨的晶片或組建為模組之前，可對其進行晶圓級的測試。這帶來了一些有利條件，包括在製造過程早期就發(fā)現(xiàn)不合格的部分，標記劣質裸晶並將其排除於模組建構過程之外，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，對整體產量有正面的影響。這種高度可測試的製造流程和可重覆的設計特性有助於提高設備的可靠程度。

  產量打造規(guī)模經濟

  在矽晶片設計方面，大半工作落在產品的研發(fā)和設計階段，一旦完成設計並交送製造，就可以重覆且有效率地進行生產。隨著產量增加，前期設計過程的固定開銷可由多個單位共同分擔。光模組在資料中心市場逐漸擴展，基於矽光子的光學元件也將受益於產量曲線的上升，高速光學元件在市場上將變得更容易取得。

  整合光學和電子元件

  雖然矽光子的主要應用是可插拔收發(fā)器模組，不過它也積極發(fā)展與電子晶片和ASIC更加緊密整合的應用。目前正在進行研究的一個未來方向是將光學元件與交換器(Switch)ASIC緊密整合?，F(xiàn)在的交換器系統(tǒng)有很長的電氣線路，從交換器晶片一直到帶有可插拔光學元件端口的前面板。隨著訊號傳輸速度越來越快，交換器到前面板的布線設計難度也跟著提高。功耗和冷卻挑戰(zhàn)是系統(tǒng)設計者的重大障礙，若光學元件能與ASIC更緊密地整合，由於訊號無須導航至前面板，交換器矽和光學I/O之間的電氣線路長度可減至最短，以長度更短、功耗更低的接口取代以前的高損耗通道(圖4)。

圖4 電氣線路長度、能源效率和電氣連接類型之間的關係

  在這個年復一年要求高成本效益光學I/O、更低系統(tǒng)功率和更高頻寬的世界，整合光學技術揭示了一條前進的道路。追求整合光學方法所需的技術和製程將高度仰賴矽光子技術的成熟程度。這是直接(Direct)光學I/O充滿希望的長期願景。甚至在更遠的地平線上，矽光子最終可能實現(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 矽光子前途無量

  憑藉矽產業(yè)和晶圓級製程的優(yōu)勢，矽光子已經定義了新一代光收發(fā)器製造趨勢。事實證明，矽光子對於滿足資料中心最新網路架構的要求至關重要。隨著銅鏈路傳輸?shù)淖钸h距離減少並被光學元件所取代，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。

  (本文由Cisco提供)