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台积电新技术 用它取代电

www.creaders.net | 2023-11-28 16:41:05  自由财经 | 0条评论 | 查看/发表评论

  生成式人工智慧(AI)热潮席捲科技业,高效能运算(HPC) 和巨量资料传输速度需求看增,加上台积电(2330)高层日前在半导体展上分享硅光子(Silicon Photonics)技术的进度,引发市场对于硅光子的高度关注。

       尽管硅光子应用目前在技术上,还有不少面向需要克服,但这项被视为可延续摩尔定律,使半导体产业突破的关键技术,已让市场充满想像空间,那到底什麽是“硅光子”?为什麽会如此被半导体业界重视?

  目前积体电路(IC)是把许多电晶体,集中在1小片芯片上,是个半导体、铜和其他材料互连的複杂结构,硅光子技术则是电子结合光子,把能导光的线路全数集中,利用光波导的传导,来取代铜等金属线路,并透过硅作为光的传输媒介。使用硅材料的原因在于,一般光学通讯传输波长是1310nm和1550 nm,硅本身不会吸收这2个波长,因此这2个波段可以直接通过。

  理论来讲,光比电的传输距离更远,且没有实体线路影响,因此此举不仅可提高传输效率,也可有效解决讯号耗损和热量产生的问题,这也是硅光子技术的最大优势。而硅光子技术的最终愿景,是把芯片中无数光学元件整合为一,将“电讯号”全改由“光讯号”来代替。

  硅光子被视为能延续摩尔定律发展的技术之一,摩尔定律认为,积体电路上可容纳的电晶体数目,约每隔18至24个月便会增加1倍,不过就算电晶体增加,仍没办法解决电损耗的问题,但硅光子“以光代电”,芯片就不需要更多的电晶体数量,也不需追求更小奈米和节点,就能够实现更高频宽和更有效率的数据传输。

  台积电是发展硅光子指标厂

  硅光子被认为是科技巨头追求更高效、节能的技术产品解方之一,虽然近期因为AI热潮,资料传输需求大增爆红,不过硅光子其实并非近期才兴起的新技术,包含IBM、英特尔等科技巨头早在约20年、10年前,就陆续投入相关技术研发。英特尔是最早实现硅光子商业化应用的厂商,2012年就设立专属事业部,IBM也在2012年底,开发出90nm的奈米硅光子积体电路芯片,把光路与电路整合在单一芯片上。

  台积电被视为台湾发展硅光子的指标厂,业界传闻,台积电正携手大客户辉达、博通,投入超过200名研发人力,积极推进硅光子技术,预计最快将于2024年下半年开始迎来大单。台积电副总余振华日前就指出,如果能提供良好的硅光子整合系统,就能解决能源效率和AI运算能力2大关键问题,这会是个新的典范转移。

台积电新技术 用它取代电

  市调机构Yole预测,硅光子市场(以裸晶计算)规模,将从2021年的1.52亿美元,攀升至2027年的9.27亿美元,年複合成长率达36%,对于许多已经进入发展高原期的领域来说,硅光子属于正要起飞阶段,也是外界看重并大举投入研发的原因之一。

  目前硅光子技术的类似概念应用是光电收发模组,其传统形式为“插拔式模组”,包含光接收器、光波导、光调变器、电流电压放大器、驱动IC、交换器等元件,分散在印刷电路板(PCB)各处,外接2条光纤,分别传输进去和出去的光,举例来说,资料中心的资料传输,就是芯片的电讯号进入光电收发模组后,进行光电讯号转换,再透过光纤将光讯号传递至交换器、伺服器等。而在光收发模组中,会需要光接收器来接收光讯号,转换成电讯号后,还需要放大器控制电流信号。

  不过电讯号进入光电收发模组前,必须有段电的传输路径。除了会产生热还会有讯号损失问题,为了减少电讯号和高速运算的的损失,硅光元件改到接近伺服器交换器周边的位置,缩短电流通距离,让原先的插拔式模组仅剩光纤的部分。

台积电新技术 用它取代电

资料中心的资料传输,就是芯片的电讯号进入光电收发模组后,进行光电讯号转换,再透过光纤将光讯号传递至交换器、伺服器等。图为光纤。(法新社)

  共同封装光学元件 传输量提高8倍

  共同封装光学元件(CPO)技术,就是以硅光子作为媒介,将传统光收发模组中的光通讯元件,整合到单一硅芯片上,把电子积体电路(EIC)和光子积体电路(PIC)共同装在同个载板,形成芯片和模组的共同封装,

  依据工研院的资料,目前CPO能让资料量传输提高8倍,节省50%的功耗与30倍以上的算力,但光电整合当前仍处“进行式”,因此如何精进CPO的技术,将会是未来硅光子发展的重点。

  因为硅光子在元件整合上,还有许多问题需要克服。举例来说,若要开发更高效能的光子元件结构和製程,必须拥有一个沟通平台,提供光电厂商设计规格、材料、参数等资讯进行整合。此外,硅光子短期内应用在利基型市场上,多为客製化服务,没有一个确定的产业标准,再来包含制造成本较高、元件效能和稳定性,要如何在製程上实现高效整合等问题,都是硅光子目前技术上遇到的挑战。

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