Sự bùng nổ về khối lượng và mức tiêu thụ dữ liệu, được thúc đẩy bởi các xu hướng trong ngành về ảo hóa, kết nối mạng và điện toán cùng với các xu hướng khác, tiếp tục đẩy các giải pháp quang tử lên vị trí dẫn đầu. Vào ngày 2 tháng XNUMX^nd, Tôi đã tham dự một hội thảo của Ansys tại DesignCon, nơi quy tụ các chuyên gia trong ngành từ Intel, GlobalFoundries, Nvidia, Cisco và Ayar Labs để thảo luận sôi nổi và toàn diện về tình trạng hiện tại, thách thức và tương lai của hệ sinh thái và công nghệ quang tử. James Pond, Kỹ sư xuất sắc tại Ansys và cựu CTO của Lumerical, điều hành hội thảo và bắt đầu cuộc thảo luận bằng một bức tranh tổng quan.

Silicon Photonics: Không ngừng theo đuổi tốc độ và hiệu quả

Đối mặt với nhu cầu băng thông ngày càng tăng và năng lượng liên quan được tiêu thụ bởi thông tin liên lạc, ngành công nghiệp bán dẫn đang đa dạng hóa đầu tư vào các công nghệ kết nối quang học. Các kết nối điện về cơ bản bị hạn chế về khả năng mở rộng hiệu suất, phạm vi tiếp cận và mức tiêu thụ điện năng. Đây là nơi các kết nối quang học có lợi thế. Các nhà phân tích dự đoán mức tăng trưởng hàng năm từ 20% đến 40% trong thị trường & ứng dụng Silicon Photonics trong vòng 5-10 năm tới. Mặc dù sự tăng trưởng cho đến nay chủ yếu được thúc đẩy bởi thị trường máy thu phát và máy tính dữ liệu, nhưng hiện tại đã có sự đa dạng hóa thú vị các ứng dụng bao gồm LiDAR, cảm biến sinh học, điện toán, các loại I/O mới và điện toán lượng tử cùng nhiều ứng dụng khác.

Có nhu cầu thực sự đối với các hệ thống quang tử và ngành này đã đáp ứng bằng cách tạo ra một hệ sinh thái gần giống với ngành tự động hóa thiết kế điện tử (EDA), thường được gọi là tự động hóa thiết kế quang tử điện tử (EPDA). Các công cụ thiết kế và hệ sinh thái tổng thể đã trải qua một chặng đường dài kể từ những ngày đầu khi PDK quang tử (Bộ công cụ thiết kế quy trình) chỉ được cung cấp dưới dạng tệp PDF. Một ví dụ đáng chú ý là các công cụ thiết kế EPDA tiên tiến như James Pond đã nhấn mạnh trong hình 2, “Hôm nay chúng ta có quy trình làm việc hàng đầu trong EPDA. Nó cung cấp tất cả những thứ mà bạn mong đợi như bố cục dựa trên sơ đồ, liên kết & cầu nối trực tiếp giữa bộ bố cục Virtuoso và bộ giải đa vật lý của ANSYS, thiết kế tùy chỉnh tương thích với xưởng sản xuất, trích xuất tham số để tạo mô hình nhỏ gọn thống kê chính xác và hỗ trợ phát triển PDK, đồng thời mô phỏng để mô hình hóa toàn bộ hệ thống một cách chính xác với cả mô hình nhỏ gọn điện tử và quang tử.”

Sự tiến bộ của hệ sinh thái tổng thể đã tạo ra cơ hội tập đầu tiên cho các sản phẩm quang tử tích hợp: bộ thu phát quang!

Từ bộ thu phát có thể cắm linh hoạt đến nhà máy quang học kết hợp

Ngày nay, lượng tử ánh sáng đã chuyển từ sự thống trị ở khoảng cách hàng km xuống khoảng cách hàng mét. Chúng tôi đã thấy các bộ thu phát quang tử có thể cắm được nhanh chóng chuyển từ giai đoạn giới thiệu sản phẩm sang sản xuất hàng triệu thiết bị mỗi năm. Bộ thu phát có thể cắm được có tính mô-đun cao và có thể được cung cấp bởi bất kỳ nhà cung cấp nào miễn là chúng đáp ứng các thông số kỹ thuật giao tiếp được nhắm mục tiêu. Chúng được cắm trực tiếp vào ổ cắm của bảng điều khiển phía trước, sau đó tín hiệu được truyền bởi các liên kết SerDe điện đến ASIC, nơi cuối cùng tín hiệu có thể được tính toán và xử lý. Nhược điểm của phương pháp này là các kết nối đồng dễ bị tổn thất RF, đặc biệt là khi giao tiếp ở tốc độ cao hơn. Robert Blum, Trưởng phòng Chiến lược Quang tử Silicon tại Intel Foundry Services, nhớ lại: “Khi chúng tôi ra mắt SiP vào năm 2016 với các bộ thu phát có thể cắm, chúng tôi cũng đặt ra một tầm nhìn với mục tiêu cuối cùng là đưa quang học vào bộ xử lý. SiP là công nghệ duy nhất có thể làm được điều đó. Thiết bị có thể cắm được là điểm khởi đầu và các liên kết quang học giữa chip với chip dự kiến ​​sẽ theo sau nó.”

Đối mặt với nhu cầu dữ liệu vô độ của chúng ta, ngành công nghiệp bán dẫn đang chịu áp lực phải theo kịp các nhu cầu về băng thông, độ trễ và mức tiêu thụ điện năng ngày càng cao hơn, những điều đang thúc đẩy các giải pháp sáng tạo để di chuyển hệ thống quang học từ tấm che mặt đến gần hơn trên bo mạch và trên chip với ASIC, loại bỏ hoàn toàn nhu cầu kết nối SerDes tiêu tốn năng lượng. “Sau nhiều dự đoán, vào năm 2022, chúng tôi bắt đầu thấy các giải pháp quang tử với các sợi kết nối trực tiếp vào các gói ASIC thay vì cắm vào tấm mặt. Đây là khoảng thời gian vô cùng thú vị đối với lượng tử ánh sáng!”, Pond nhận xét.

Bây giờ hãy tưởng tượng chúng ta có công nghệ phá vỡ các giới hạn về tốc độ và băng thông mà chúng ta có ngày nay! Nó có ý nghĩa gì đối với kiến ​​trúc và hàng loạt ứng dụng mới nổi trong AI/ML? Matt Sysak, phó chủ tịch kỹ thuật laser tại Ayar Labs, mô tả một tương lai với những khả năng vô hạn, “Nếu các giả định dẫn đến cách chúng ta thiết kế máy tính ngày nay thay đổi, điều đó có nghĩa là chúng ta có quyền tự do hình dung lại kiến ​​trúc máy tính. Tại Ayar Labs, chúng tôi có tầm nhìn về I/O quang học ở mọi nơi, thứ không chỉ tăng tốc điện toán mà còn có khả năng tái tạo lại nó.”

Câu chuyện về hai công nghệ: Sự khác biệt cơ bản giữa điện tử và lượng tử ánh sáng

Một mặt, sự trỗi dậy của quang tử silicon có được phần lớn thành công nhờ tận dụng hàng thập kỷ đầu tư vào ngành công nghiệp điện tử và sự trưởng thành của quá trình xử lý tấm bán dẫn silicon trong sản xuất CMOS, Anthony Yu, Phó Giám đốc Quản lý Sản phẩm Quang tử Silicon tại GlobalFoundries giải thích thêm, “chúng tôi tiếp tục mở rộng khả năng đúc lượng tử ánh sáng của mình để giúp khách hàng mang những lợi thế của lượng tử ánh sáng đến các thị trường khác nhau. Chúng tôi chỉ có thể thành công nếu chúng tôi áp dụng kiến ​​thức học được từ mô hình đúc CMOS của mình vào lượng tử ánh sáng cùng với sự hợp tác chặt chẽ giữa các bộ phận khác nhau của hệ sinh thái, chẳng hạn như quan hệ đối tác với Ansys Lumerical để kích hoạt các thư viện mô hình có thể dự đoán, tương thích với xưởng đúc trong PDK.” Ashkan SEYedi, Kiến trúc sư sản phẩm Silicon Photonics tại Nvidia cho biết thêm: “Chúng tôi coi thiết bị điện tử như người anh lớn của mình. Điện tử cung cấp cho chúng tôi một điểm chuẩn để so sánh, nhờ đó chúng tôi biết mức độ trưởng thành của PDK và quy trình thiết kế là cần thiết cho một tương lai thành công trong công nghệ quang tử.”

Tuy nhiên, sự đồng thuận giữa tất cả các thành viên tham gia hội thảo là có một số khác biệt cơ bản giữa Điện tử và Quang tử, vì một điều, không có gì tương đương với Định luật Moore trong SiP, ít nhất là không theo nghĩa là chúng ta đang nhân đôi mật độ và giảm một nửa chi phí . Thierry Pinguet, Kỹ sư phần cứng chính tại Cisco và là một chuyên gia dày dạn kinh nghiệm về lượng tử ánh sáng đã giải thích: “Không có chất tương đương với một bóng bán dẫn trong lượng tử ánh sáng và do đó không có cải tiến thế hệ nào từ việc tinh chỉnh kỹ thuật in thạch bản để tăng mật độ thiết bị. Những cải tiến mang tính thế hệ về quang tử đến từ sự đổi mới ở thiết kế cấp độ thành phần và mạch cũng như những tiến bộ về lắp ráp và đóng gói.” Đây là lý do tại sao hầu hết các nền tảng quang tử silicon đều dựa trên các nút công nghệ CMOS cũ hơn.

Quy mô Dennard có thể đã kết thúc nhưng thách thức vẫn còn, vì ngành đang phải đối mặt với nhu cầu chưa từng có đối với mạng/kết nối tốc độ cao và điện toán tăng tốc. Bị đẩy vào lãnh thổ chưa được khám phá nơi định luật Moore đang thực sự đấu tranh để đi đúng hướng, lượng tử ánh sáng mang đến cơ hội để duy trì tiến trình đó. SEYedi đề xuất “đã đến lúc định nghĩa lại định luật Moore. Khi chúng tôi thu nhỏ, các hệ thống liên tục được cải thiện. Chúng ta nên xem xét các số liệu mới mà định luật Moore mở rộng, chẳng hạn như bao bì.”

Bất kể bạn định nghĩa định luật Moore như thế nào, vẫn có những điểm uốn nơi các công nghệ quang tử mới được giới thiệu. Ngày nay, các trung tâm dữ liệu đang sử dụng các sản phẩm 800Gb, nhưng một vài năm trước đó là 400 Gb và 200Gb. Đã có một số yếu tố góp phần vào việc mở rộng quy mô này trong khả năng truyền dẫn tổng thể, bao gồm các định dạng điều chế bậc cao hơn như điều chế biên độ cầu phương (QAM) được kích hoạt bằng các kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) tiên tiến và tính song song lớn như ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM), cũng như các thiết kế sáng tạo ở cấp độ thành phần như bộ điều biến phân đoạn. Với sự đánh đổi cơ bản giữa băng thông và hiệu quả điều chế liên quan đến các yếu tố vật lý như thời gian tồn tại của photon trong silicon, các nhà thiết kế đang khám phá sự tích hợp không đồng nhất của các vật liệu mới ở mặt trước. Các giải pháp quang tử trong tương lai cũng đang dựa vào những tiến bộ trong đóng gói 2.5D và 3D truyền thống trong thiết bị điện tử nhưng có lẽ chúng ta cũng sẽ thấy sự đổi mới trong các khía cạnh quang tử của bao bì như liên kết dây dẫn sợi quang với chip.

Thắp sáng con đường đến khả năng mở rộng

Bao bì là một chủ đề nóng đã gây được tiếng vang với tất cả những người tham gia hội thảo và đưa ra những thách thức xung quanh việc tiêu chuẩn hóa và thiếu IP trong hệ sinh thái. Xem xét việc gắn sợi, bao gồm việc đặt và dán sợi vào một gói tại các vị trí chính xác, nơi việc giảm thiểu tổn thất do sai lệch trở nên khó khăn hơn với số lượng sợi ngày càng tăng. Có nhiều kiến ​​thức phổ biến được thu thập trong nhiều thập kỷ trong cộng đồng xung quanh phần đính kèm sợi quang, nhưng nhiều nhà thiết kế vẫn sử dụng tài nguyên để phát triển quy trình của riêng họ. “Nó chỉ không thêm giá trị nội tại. Các nhà thiết kế muốn tập trung vào đổi mới và không phát minh lại bánh xe vì không có giải pháp chìa khóa trao tay. Ngày nay, mọi người vẫn đang đổi mới nhưng chúng ta cũng bắt đầu thấy một số điểm hội tụ trong một số lĩnh vực nhất định. Đây là lý do tại sao Intel đưa ra một đầu nối sợi quang có thể tháo rời, mật độ cao, có hệ số hình dạng nhỏ, có tổn thất tương thích với các phương pháp quang học được đóng gói đồng thời khác và tương thích với PIC tiêu chuẩn của ngành cũng như với bất kỳ bao bì 2D, 2.5D hoặc 3D nào. Các tiêu chuẩn và thư viện IP là những thành phần chính trong hệ sinh thái quang tử cần thiết để biến quang học thành một trò chơi có khối lượng lớn.” Blum nói.

Trong những năm gần đây, chúng tôi đã bắt đầu thấy những người chơi sản xuất phát triển để cung cấp các mô hình truy cập mở để tạo mẫu, chạy wafer đa dự án cho R&D và thông lượng từ thấp đến cao cho những nhà cung cấp đó đang tăng cường thương mại hóa. Các xưởng đúc được thúc đẩy về mặt kinh tế, có nghĩa là hợp nhất tối đa vào một nền tảng duy nhất. “Thách thức là sự khác biệt của nhà cung cấp trong ngành công nghiệp quang tử ngày nay không dựa trên một nền tảng duy nhất với các phần khối IP cố định như tồn tại trong thế giới ASIC. Ít nhất là chưa. Nếu bạn mở bất kỳ mô-đun có thể cắm nào, chúng sẽ trông khác bên trong vì mọi giải pháp đều được tùy chỉnh. Các yêu cầu ứng dụng đòi hỏi khắt khe đang thúc đẩy thiết kế các thiết bị tùy chỉnh có khả năng sẽ không được cung cấp dưới một nền tảng duy nhất.” Pinguet giải thích. Sysak nói thêm: “Có nhiều cách để công nghệ I/O quang học giao tiếp với bộ xử lý nhưng để thực sự tận dụng lợi thế kinh tế theo quy mô, chúng tôi cần quy trình sản xuất đáng tin cậy và có thể mở rộng, và đây là điều chúng tôi đang giải quyết cùng với GlobalFoundries.”

Một mặt, hệ sinh thái quang tử silicon đang tiến tới tiêu chuẩn hóa các quy trình, nền tảng và tự động hóa thiết kế, đặc biệt là đối với các ứng dụng đã được thiết lập như bộ thu phát có thể cắm. Mặt khác, nhu cầu về hiệu suất cao hơn và các ứng dụng mới đang nổi lên đang thúc đẩy việc tùy chỉnh và thúc đẩy việc giới thiệu các vật liệu và quy trình mới. Chúng tôi vẫn còn trong những ngày đầu. “Theo thời gian, chúng ta sẽ thấy lượng tử ánh sáng hướng tới một mô hình giống như ASIC với các nhà cung cấp IP và các nền tảng hợp nhất sẽ cho phép các giải pháp khối lượng lớn. Nhưng ngay bây giờ, chúng tôi tôn vinh sự sáng tạo và tài năng của các nhà thiết kế quang tử của chúng tôi.” Yu tóm tắt.

Cũng đọc:

Đổi mới theo cấp số nhân: HFSS

Hội nghị kỹ thuật trực tuyến IDEAS giới thiệu Intel, Qualcomm, Nvidia, IBM, Samsung, v.v. Thảo luận về trải nghiệm thiết kế chip

Bất cứ điều gì đã xảy ra với cuộc tranh cãi sân bay 5G lớn? Cộng với cái nhìn về tương lai

Sự xuất hiện của Ansys với tư cách là Trình phát EDA Cấp 1— và Điều đó có ý nghĩa gì đối với 3D-IC

Chia sẻ bài đăng này qua:

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Khuếch đại kiến ​​thức. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://semiwiki.com/eda/325256-designcon-2023-panel-photonics-future-the-vision-the-challenge-and-the-path-to-infinity-beyond/