将光子学集成到半导体中越来越受欢迎，尤其是在异构多芯片封装中，因为芯片制造商正在寻找新的方法来克服功率限制并处理不断增加的数据量。

自从 Dennard 缩放结束以来，功耗一直是一个日益受到关注的问题，这发生在 90nm 节点附近。每平方毫米有更多的晶体管，电线更细，这会增加电阻和电容并产生热量。除此之外，需要处理和移动的数据量持续增长，因此各种处理元件、存储器和 I/O 的使用比过去更加密集。这使得移动数据、在需要的地方提供足够的电力以及散热变得更加困难。

光子学提供了一个潜在的解决方案。事实上，它可以提供阶梯式功能改进，为当今受到固定功率预算和铜互连限制的新应用打开大门。

Ansys产品管理总监 James Pond 表示：“使用铜线的通信成本开始变得过高。” “电气互连的挑战在于，随着性能的提高或覆盖范围的扩大，您的电力成本也会上升。该行业正在发展到电气互连将完全消耗您的功率预算的地步，而这将在几年内发生。”

直到最近，这还被成本所禁止。“当光子学的成本低于铜的成本时，这会变得非常有趣，” Cadence 的杰出工程师 Gilles Lamant 说。

我们接近那个点了吗？要回答这个问题，有必要看看行业内的其他发展。

光罩限制定义了光刻机可以蚀刻的最大尺寸。对于今天用于生产大部分芯片的 193 纳米浸入式步进器，该限制为 33 x 26 — 略高于 800 平方毫米。与此同时，摩尔定律在许多公司或设计类型的成本效益方面正在放缓。这意味着可以在单片硅上经济地制造的晶体管数量已达到极限。

摩尔定律的下一阶段要求设备开始成为多个芯片的组件，业界一直在投资这项技术。如今，大多数高端 CPU 和 GPU、FPGA 和 AI 处理器中都可以找到它的专有版本。随着行业采用率的提高，问题正在得到解决，成本正在下降，这使得更大的潜在市场成为可能。

多个芯片的异构集成指向小芯片的概念。这些是预先设计和制造的功能部件，可以像今天在 PCB 上组装芯片一样，将它们组装到封装中。在这成为广泛采用的现实之前，该行业必须克服一些挑战。其中一些是技术方面的，另一些是财务或法律方面的，其中一些与标准的创建有关，以确保这些标准化产品有足够大的市场。

小芯片技术还将有助于电子设备以外的事物的异构集成（见图 1）。我们已经看到视频传感器设备是使用晶圆键合将光学层和电子层融合在一起的组合。数量巨大，而且该技术自 2016 年以来得到了很好的证明。

图 1：异构集成的新兴应用。资料来源：Ansys

一种用于集成小芯片的技术是利用中介层。这相当于此类封装系统中的 PCB。中介层用作各种小芯片之间的互连。这种方法已成功用于高带宽内存 (HBM)。中介层的问题在于它是一个必须制造的单独“芯片”，这增加了总成本。其他公司正在考虑将小芯片直接堆叠到主芯片上，或者使用小块中介层来连接各种芯片。

我们看到光子学市场开始利用异构集成，它可以重新构想芯片、芯片和系统通信方式的许多方面。

不断增长的市场

由于缺乏批量产品，光子组件的成本一直很高。“使用集成光子学——尤其是硅光子学——的低成本、高速收发器的承诺已经实现，”Ansys 的 Pond 说。“我们已经看到了数百万台设备的出货量，它们被用于数据中心。预计至少到 2025 年，这将继续以超过 40% 的年增长率增长（见图 2）。共同封装的光学器件是下一个前沿领域。需要解决我们的数据带宽问题。光互连和共同封装的光学器件是实现这一目标的唯一途径。”

图 2. 收发器市场的增长。资料来源：Ansys。

新市场将有不同的要求。“电信应用由半高全宽 (FWHM) 方法驱动，因此它们可以具有许多彼此非常接近的不同波长，”EV 集团业务发展副主管 Martin Eibelhuber 说。“这通常导致他们将不同波长的边缘发射激光器紧密集成在一起。新应用，特别是基于光子集成的激光雷达，正变得越来越流行，在不久的将来，这将是一个更大的市场。”

激光雷达有不同的要求。“对于激光雷达，具有不同的波长并不重要，但光束形状更为重要，”Eibelhuber 说。“当您使用光学相控阵时，人们的目标更多是关于转向和输出功率。你想调制外面的波。它们在大小和构建方式方面也有不同的限制。例如，与进入汽车的东西相比，数据通信对物理尺寸或重量不太敏感。汽车中的激光雷达也将是一个关键任务系统。”

步进功能的最大部分来自重新思考系统级问题，而不仅仅是技术替代。“在两个 SerDes 之间的高性能计算中，您需要重新定时，”Cadence 的 Lamant 说。“由于铜线存在差异，因此设备需要能够自适应每种情况。这已包含在大多数高性能 SerDes 以及所有高性能通信标准中。虽然他们没有特别要求，但对信号质量的要求使得没有这些设备绝对不可能工作。”

“使用光子解决方案，您可以完全摆脱电路的那部分，”Lamant 补充道。“这很好地说明了集成光子学将赢得什么。我们不是在谈论 10% 的小收益。我们谈论的是 40% 的收益。重定时器是一种模拟电路，要正确使用非常复杂。使用光子学，您不会遇到光纤中的那些阻抗匹配问题和损耗。这是集成光子学可以实现的变化类型，它们是阶跃函数。”

获得光

激光器不太可能建立在硅上，仅仅因为物理学不利于它。“你必须决定光源应该在芯片上还是芯片外，”Lamant 说。“要拥有光子学，你需要有光，然后你需要用它做点什么。一些公司正在硅基板上建造和发展或焊接晶圆键合激光器。在硅基板上建造它是一种圣杯类型的东西，因为它将完全在一个单一的晶圆厂内完成。其他公司正在使用晶片键合在其大硅晶片上的小芯片来实现这一目标。”

即使在芯片上也有不同的方法。“对于不同部件的异构集成，您可以考虑晶圆级集成方案，”EV Group 的 Eibelhuber 说。“如果我们考虑集成激光小芯片、硅上的化合物半导体，诸如此类的事情，今天基本上已经发生了。”

尺寸不匹配

光子学与电子学分开的另一个原因是每个零件使用的几何形状不匹配。“硅光子器件总是很大，通常可以在不需要相同先进节点技术的代工厂制造，仅仅因为器件的尺寸，”Pond 说。“光子器件的尺寸受到物理学的限制，所以你不能像人们对电子 IC 所做的那样不断缩小它们。硅光子学需要相当多的控制电子设备来保持一切正常运行，维持热加热器和反馈回路以保持一切正常进行。但是当涉及到高级节点时，它只是两种不同的技术，将它们分开可能是有意义的。”

但是您可以在旧节点中构建有用数量的电子设备。“如今至少有一家代工厂提供集成的单片解决方案，”Lamant 说。“晶体管是最后一代平面晶体管，这是因为与光子学所需的尺寸的所有兼容性要求。有挑战。你需要一个平衡，因为它们真的不能比 45nm 小得多，因为这会给光子学带来太多挑战。”

机会

在小芯片技术中，内插器可以用作小芯片安装在其上的基板。这也比用于密集电子功能的几何形状更大。“小芯片和 3D IC 模型非常好，您可以拥有一个集成的光子中介层，在其上构建 3D IC，”Pond 说。“这可以作为这些小芯片之间以及与外部世界之间的通信层。此外，当您开始考虑迁移到每个具有用于通信的集成光子中介层的 3D IC 时，您所谈论的体积比数据中心收发器大几个数量级。对于集成光子学来说，这是一个重要的阶段，可以与电子产品相提并论，这绝对是一种利基规模的市场，转变为更重要的市场。”

虽然小芯片可能支持光子学，但光子学也可能影响小芯片。“今天，业界考虑在小芯片之间建立电子连接，”Lamant 说。“这允许两个小芯片在它们之间建立垂直连接。但是，与其使用带有电信号的凸点，为什么不使用光学器件呢？他们称之为光学碰撞。这里的挑战是一致性，但总的来说，这些都是小芯片的挑战。”

现在，这需要系统中昂贵的部分——内插器——并使用它在异构部分之间的通信中创建阶跃变化。“光子层应该是中介层，并提供小芯片之间和与外界的通信层，”庞德说。

集成问题

所有 3D IC 系统的一个问题是热量，而光子学为此增加了一个额外的维度。“整个系统在关键环境中的表现很重要，而热管理是其中的关键部分，”Eibelhuber 说。“他们需要积极的温度控制措施。温度管理是 3D 封装世界中整个系统的普遍问题，包括电子产品。”

拉曼特同意。“分析热的基本引擎是已知的。这不仅适用于光子学，您会在小芯片上看到同样的复杂性。小芯片很棒，但是一旦您开始将它们放在 2.5D 或 3D IC 上，它们就会非常接近，您必须跨越它们的边界进行分析。它并不特定于光子学。”

不过，光子学确实有一些独特的问题。“电子产品会产生大量热量，他们将改变集成光子中介层的温度，”Pond 说。“一些光子器件对温度变化非常敏感。建模的挑战是能够了解整个 3D IC 的温度发生了什么变化，并且从仿真的角度来看，能够计算不同配置下的工作温度。每个单独的光子组件的局部温度是多少？然后我们可以研究它对光子电路性能的影响。”

典型的芯片可以根据操作环境或工作负载承受各种温度。“即使光子解调器中度数的一小部分变化也会对性能产生很大影响，”Pond 补充道。“它可以将其完全赶出工作点。一度的变化可能会破坏设备的性能。你可能会问这怎么可能起作用？这就是维持设备正确工作点的热加热器和控制回路的作用。重要的不是绝对温度，而是干涉仪不同臂之间的温差。只要您拥有将设备保持在正确工作点的控制电子设备和加热器，您就可以应对更大的全球温度范围。挑战在于，如果你不得不过度补偿，

标准

最大的挑战不是技术而是与行业合作和标准有关。Eibelhuber 说：“行业内对标准有很大的推动作用。” “他们希望合作，并制定标准，使他们能够以合理的成本访问类似的流程，而不必自己开发一切。有一些联合封装解决方案试图尽可能地保持在晶圆级。芯片层面有很好的解决方案，基本上可以两全其美。然而，并不是所有在电子行业工作的东西都可以被光子行业复制，这就是必须缩小的差距。”

芯片之间可靠的数据传输需要的不仅仅是一个 PHY。“必须实施更高级别的标准，而不是非常低级的接口标准，”弗劳恩霍夫 IIS 自适应系统部工程高级系统集成组组长兼高效电子部门负责人 Andy Heinig 说。“这种更高级别的协议很可能是面向应用程序的。它们将在模拟数字应用（例如可能在光学前端中找到）或在数据中心中为 AI 应用找到的数字加速器之间有所不同。”

标准使创新成为可能。“可插拔设备如此成功的原因在于标准，”Pond 说。“他们有标准化的外形和通信标准。这意味着很多创新公司可以开始设计集成光子收发器等产品，并提高性能和速度。然后，建立数据中心的人可以购买可插拔收发器，只要它们符合标准，就可以将来自不同供应商的它们组合起来。现在，当谈到将光学器件引入芯片或共同封装系统时，面临的挑战是没有关于如何连接这些光纤以及通信标准究竟是什么的真正标准。一旦实现这一目标，我们将看到类似的创新浪潮。”

这与电子产品所需的标准没有什么不同，电子产品必须就将要使用的通信标准达成共识。

结论

对小芯片的需求导致该行业解决了某些问题。它们也是集成光学器件的问题，但该市场太小，无法产生影响。当我们接近 3D IC 的解决方案时，集成光学的一些障碍已被消除。

但这只是故事的第一部分。解决这些问题后，光学可以改变我们对封装内通信的看法，并从电气互连内插器转变为光学内插器。以前被视为昂贵的开销，现在变成了以前不可能实现的更快、功耗更低的解决方案。当这两种技术结合在一起时，新的系统级解决方案就成为可能。功率将大幅下降，最终产品总成本可能会下降。