硅光前景展望

硅光前景展望

原創(chuàng) 李飛 半導(dǎo)體行業(yè)觀察 2022-03-14 09:47

隨著人工智能等數(shù)據(jù)中心新應(yīng)用的出現(xiàn)，用于數(shù)據(jù)中心的基于硅光子技術(shù)的數(shù)據(jù)互聯(lián)市場也在逐漸變熱。三月是硅光技術(shù)非常熱鬧的一個月，AMD/Xilinx剛宣布和Ranovus合作發(fā)布了一款將Versal ACAP和Ranovus的Odin光通信模組集成在一起的系統(tǒng)，Marvell也同時發(fā)布了其400G DR4硅光平臺，而GlobalFoundries也發(fā)布了其硅光子工藝平臺Fotonix。本文將對硅光子技術(shù)的前景做一些分析，我們認(rèn)為在未來硅光子技術(shù)會在數(shù)據(jù)中心中扮演越來越重要的角色，且其技術(shù)發(fā)展將會向著成本和功耗更低、體積更小的方向演進(jìn)。

硅光子技術(shù)在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用

傳統(tǒng)上，基于光的通信主要是用在長距離高速通信中，例如大家熟悉的光纖寬帶入戶就是這樣的長距離高速有線通信的一個重要例子。在數(shù)據(jù)中心中，常用的數(shù)據(jù)互聯(lián)是基于銅電纜的通信。

然而，在最近幾年，隨著人工智能等應(yīng)用的興起，數(shù)據(jù)中心中也在走向基于光通信的數(shù)據(jù)互聯(lián)。這主要的原因在于，人工智能等應(yīng)用將對于數(shù)據(jù)互聯(lián)帶寬的需求大大提升了，而常規(guī)的銅電纜互聯(lián)越來越難以滿足需求。例如，在人工智能應(yīng)用中，數(shù)據(jù)中心常常需要進(jìn)行大量分布式計算，而分布式計算中，不同服務(wù)器之間需要頻繁的大量數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)互聯(lián)的帶寬往往會限制整體任務(wù)的性能。這也是大數(shù)據(jù)時代的一個特點，即算法為了處理海量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)訪問的性能和計算性能幾乎一樣重要，有時候甚至更重要；而隨著算法規(guī)模越來越大，需要使用多臺服務(wù)器進(jìn)行分布式計算的場合也越來越多，因此服務(wù)器之間的高速數(shù)據(jù)互聯(lián)就成為一個極其重要的核心技術(shù)了，而這成為數(shù)據(jù)中心引入超高帶寬基于硅光子的數(shù)據(jù)互聯(lián)的主要理由。在幾年前，人工智能剛剛興起時，Nvidia就憑借和Mellanox的合作在機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練中引入基于光互連的InfiniBand從而助力高性能訓(xùn)練，而到了今天類似的超高速光互聯(lián)已經(jīng)幾乎成為數(shù)據(jù)中心的標(biāo)配。

在未來，我們認(rèn)為大數(shù)據(jù)和人工智能將繼續(xù)成為驅(qū)動數(shù)據(jù)中心市場的主要動力。正因為如此，未來數(shù)據(jù)中心對于基于光的數(shù)據(jù)互聯(lián)的需求可望進(jìn)一步增加，而這也將進(jìn)一步提升硅光子的市場規(guī)模，我們也因此看到了半導(dǎo)體業(yè)界的幾大巨頭都在積極布局相關(guān)的硅光子技術(shù)。

硅光子技術(shù)與CMOS芯片設(shè)計

我們認(rèn)為，硅光子技術(shù)目前正在經(jīng)歷一場重要的技術(shù)革新，其中的核心技術(shù)就是協(xié)同封裝光子（co-packaged optics，CPO）技術(shù)，使用該技術(shù)可以把硅光子模塊和超大規(guī)模CMOS芯片以更緊密的形式封裝在一起，從而在成本、功耗和尺寸上都進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中的光互連技術(shù)。

CPO技術(shù)的主要是指把硅光模塊和CMOS芯片用高級封裝的形式（例如2.5D或者3D封裝）集成在一起。在CPO技術(shù)興起之前，目前的傳統(tǒng)技術(shù)是把硅光模塊和CMOS芯片獨立成兩個單獨模塊，然后在PCB板上連到一起。這么做的好處設(shè)計較為模塊化，CMOS芯片或者硅光模塊單獨出問題的化都可以單獨更換，但是在功耗、尺寸和成本上都較為不利。例如，由于硅光模塊的輸出是超高速數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)使用PCB板連接到CMOS芯片上會遇到較大的信號耗損，因此需要恨到的功耗才能支持高數(shù)據(jù)率。此外，成本上要設(shè)計支持超高速信號的PCB也需要較高的開銷，而在尺寸上來說分立的硅光模組和CMOS芯片通常集成度更低，這也限制了進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)中心中的服務(wù)器密度。

而CPO就是為了解決這些問題的技術(shù)。當(dāng)使用高級封裝技術(shù)把硅光模塊和CMOS芯片集成到同一個封裝內(nèi)之后，首先硅光模塊和CMOS芯片之間的數(shù)據(jù)連接質(zhì)量（信號耗損）相比PCB板來說要改善不少，因此能降低功耗；另一方面在大規(guī)模量產(chǎn)之后，高級封裝也能帶來成本上的改善。最后，使用CPO之后，由于都集成在同一個封裝內(nèi)，整體系統(tǒng)的集成度大大提升，尺寸減小，因此也能提升硅光子技術(shù)在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場景的普及。

目前，眾多硅光子領(lǐng)域有投資的巨頭都在大力發(fā)展CPO技術(shù)。如前所述，硅光子技術(shù)帶來超高速互聯(lián)是人工智能等分布式高性能計算的核心技術(shù)，因此以數(shù)據(jù)中心為主要市場的公司如Nvidia和AMD都對于CPO有大量布局和投入。Nvidia自從收購Mellanox之后，也進(jìn)一步強(qiáng)化了其在高性能光互連方面的能力，而在CPO方面Nvidia也公布了其目前的在研技術(shù)，即使用CPO技術(shù)把GPU和硅光子芯片集成在同一個封裝內(nèi)，以同時支持24路NVLINK，從而實現(xiàn)4.8Tbps的超高速互聯(lián)。

而在數(shù)據(jù)中心中與Nvidia直接競爭的AMD則也在大力布局CPO技術(shù)，日前公布的和Ranovus的合作我們認(rèn)為就是AMD對于CPO的重要投資。Ranovus是CPO領(lǐng)域的重要技術(shù)創(chuàng)新公司，它和TE Connectivity，IBM和Senko共同研發(fā)的CPO技術(shù)目前已經(jīng)實現(xiàn)了把硅光子模塊和收發(fā)模塊以很高的集成度集成在同一塊芯片中（而非常規(guī)的CPO技術(shù)中硅光子模塊和收發(fā)模塊仍然是兩塊單獨的芯片），從而實現(xiàn)了更好的集成度和性能。Ranovus把自己的獨特技術(shù)稱為CPO 2.0，我們也預(yù)期AMD通過與Ranovus合作可以進(jìn)一步提升自己在數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)領(lǐng)域的能力。

除了主要用于自家高性能計算系統(tǒng)的Nvidia和AMD，Broadcom和Marvell等重要的網(wǎng)絡(luò)通信提供商也在硅光子和CPO領(lǐng)域有不少投入。Marvell剛剛在OFC大會上發(fā)布了其400G DR4硅光芯片，具有很高的集成度，包括收發(fā)模塊和激光驅(qū)動模塊，該芯片通過CPO技術(shù)和Marvell的Teralynx網(wǎng)絡(luò)開關(guān)集成在一起，實現(xiàn)了超高數(shù)據(jù)帶寬。

硅光技術(shù)的工藝平臺

在工藝方面，GlobalFoundries是硅光子技術(shù)方面的投入程度可能是幾家主流代工廠中最積極的。在硅光子技術(shù)方面，GlobalFoundries從數(shù)年前就開始積極布局，目前能提供先進(jìn)的硅光子工藝平臺，包括各種光波導(dǎo)、相移器、極化器、光二極管等等，除了硅光子工藝之外，GlobalFoundries還提供高級封裝選項，幫助客戶實現(xiàn)CPO技術(shù)。在GlobalFoundries剛剛發(fā)布的Fotonix平臺中，更是進(jìn)一步把硅光子和CMOS整合在同一塊芯片上，從而能實現(xiàn)更高的性能和集成度。根據(jù)GlobalFoundries公布的資料，目前其Fotonix平臺的客戶包括Broadcom，Marvell，Nvidia，Cisco，Ranovus等硅光子領(lǐng)域的重要廠商，未來前景大有可觀。

除了GlobalFoundries之外，Intel也在積極布局硅光子的工藝技術(shù)。在高速網(wǎng)絡(luò)交換芯片市場，Intel正在力推其Tofino方案，其中也包括了自研的硅光子技術(shù)和高級封裝技術(shù)。Intel在這兩個領(lǐng)域其實技術(shù)積累較為深厚，在六年前，現(xiàn)任Intel CEO Pat Gelsinger（當(dāng)時還是副總裁）就在力推硅光子技術(shù)，并且認(rèn)為硅光子在未來一定會成為主流技術(shù)。憑借Intel在硅光子工藝和封裝技術(shù)領(lǐng)域的積累，我們認(rèn)為未來Intel也將會成為該領(lǐng)域的有力競爭者。

總而言之，我們認(rèn)為在未來，硅光子的主要技術(shù)演進(jìn)將集中在更高集成度，以及和CMOS芯片的封裝上面，而先進(jìn)的硅光子制造工藝以及封裝技術(shù)將會成為硅光子技術(shù)演進(jìn)的核心技術(shù)支撐。

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