PIC100 是意法半導(dǎo)體的首個(gè)硅光子技術(shù)，是在300 毫米晶片上制造的以高能效為亮點(diǎn)的PIC(光子集成電路)，每通道數(shù)據(jù)速率達(dá)到200Gbps，未來甚至有望實(shí)現(xiàn)更高的帶寬。事實(shí)上，此次發(fā)布意義重大，因?yàn)樗_啟了一系列光子集成電路的先河， ST還計(jì)劃推出更多的后續(xù)技術(shù)，助力數(shù)據(jù)中心、人工智能服務(wù)器集群和其他光纖網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提升能效。目前，許多可插拔光收發(fā)器都在使用ST的 BiCMOS B55 芯片，因此ST對(duì)市場(chǎng)有一定的了解。利用意法半導(dǎo)體的能效更高的 PIC制造技術(shù)和下一代55 納米硅鍺芯片B55X，可插拔光收發(fā)器廠商將會(huì)在市場(chǎng)上樹立新的能效和性能標(biāo)桿，這對(duì)于推廣普及傳輸速度更快的通信標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。

PIC100: 性能與能效的平衡

散熱難題

凡是接觸過光纖通信的人都知道，可插拔光模塊在短時(shí)間之內(nèi)溫度升高。根據(jù) Effect Photonics的數(shù)據(jù)，雖然可插拔模塊的功耗從2010 年開始穩(wěn)步下降，但從 2022 年開始呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。隨著通信帶寬大幅提升，其溫度變得更加難以控制。問題是，服務(wù)器處理人工智能和其他數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用需要更大的數(shù)據(jù)吞吐量，而高溫會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的問題，例如性能下降和可靠性降低等。此外，數(shù)據(jù)中心致力于提高可持續(xù)性和能效，而光模塊的發(fā)展趨勢(shì)卻與這些目標(biāo)背道而馳;因?yàn)楣饽K的熱耗散現(xiàn)象更加嚴(yán)重，而對(duì)傳輸速率的要求越來越高。

PIC100解決方案降低損耗

PIC100 提高可插拔光模塊的能效

為了提高能效，PIC100 采用了0.4dB/cm損耗的硅波導(dǎo)設(shè)計(jì)和0.5 dB/cm損耗的氮化硅波導(dǎo)，目前這兩項(xiàng)指標(biāo)都處于業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平。此外，PIC100 還配備了帶寬 50 GHz 的馬赫-曾德爾光調(diào)制器 (MZM) 和高達(dá) 80 GHz 的高速光電探測(cè)器。簡而言之，PIC100 的獨(dú)特之處在于所有這些先進(jìn)器件都在 300 毫米晶片上采用晶圓堆疊技術(shù)制造。

能效是我們采用邊緣耦合器的原因之一。很多廠家傾向于使用光柵耦合器，因?yàn)樗梢怨?jié)省測(cè)試和初始對(duì)準(zhǔn)工序成本。例如，光柵耦合器支持晶圓級(jí)測(cè)試，并且安裝更加靈活。然而，光柵耦合器的散射率高，耦合器與光纖的匹配度低，這些缺點(diǎn)導(dǎo)致?lián)p耗更大。通過采用邊緣耦合器，我們可以提高光纖模式與片上SiN波導(dǎo)的匹配度，從而實(shí)現(xiàn)損耗低于1.5 dB的高能效耦合，能效遠(yuǎn)高于光柵耦合器。

意法半導(dǎo)體的300 mm晶圓廠

晶圓圖示

此外，PIC100 不僅擁有同類中一流的性能和能效，而且還在意法半導(dǎo)體法國克羅爾 (Croll) 300 毫米晶圓廠生產(chǎn)，在更大的晶片上制造芯片讓這項(xiàng)技術(shù)有更好的成本效益，為更多的客戶所用。由于意法半導(dǎo)體是一家 垂直整合芯片制造商，擁有自營生產(chǎn)線和光刻技術(shù)專長，全盤掌握供應(yīng)鏈，有能力大規(guī)模生產(chǎn)先進(jìn)的PIC產(chǎn)品，這也是推出 PIC100 的另一個(gè)原因。隨著數(shù)據(jù)中心對(duì)光子集成器件的依賴度越來越高，意法半導(dǎo)體在光子集成技術(shù)領(lǐng)域擁有獨(dú)天得厚的優(yōu)勢(shì)，能夠提供高能效的器件、產(chǎn)能和高性價(jià)比的解決方案。

意法半導(dǎo)體的 PIC：硅光技術(shù)在數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)上的發(fā)展前景

一條通向1.6Tb/s 收發(fā)器的升級(jí)捷徑

意法半導(dǎo)體的客戶已經(jīng)在研發(fā) 800Gb/s 和 1.6Tb/s 的可插拔光纖模塊，此時(shí)發(fā)布PIC100可謂意義重大。同時(shí)，ST計(jì)劃從 2025 年下半年開始備產(chǎn)，提升產(chǎn)能。因此，此次發(fā)布標(biāo)志著一個(gè)新時(shí)代的開始，設(shè)備制造商已經(jīng)開始利用意法半導(dǎo)體的 PIC 技術(shù)開發(fā)每通道 200Gbps 的可插拔光纖收發(fā)器。QSFP56光纖模塊遭遇缺芯問題，我們的新器件有助于緩解缺貨問題，并為接口從100G到 400G的升級(jí)提供一個(gè)中間過渡階段，幫助數(shù)據(jù)中心逐步升級(jí)改造基礎(chǔ)設(shè)施。因此，AWS 正在與意法半導(dǎo)體和領(lǐng)先的光模塊供應(yīng)商合作，使用 PIC100技術(shù)為其數(shù)據(jù)中心開發(fā)光纖模塊。

每通道400Gbps和 GPU光纖連接路線圖

雖然目前尚未公布新產(chǎn)品的發(fā)布日期，但是，意法半導(dǎo)體承諾研發(fā)每通道400Gbps的 PIC產(chǎn)品，與現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心同步發(fā)展。隨著人工智能訓(xùn)練所用的信息量日益提高，GPU數(shù)據(jù)處理的大規(guī)模并行化趨勢(shì)需要連續(xù)穩(wěn)定的海量數(shù)據(jù)流，開發(fā)速度更快、能效更高的光收發(fā)器成為重中之重。因此，可插拔模塊制造商可以放心地繼續(xù)購買意法半導(dǎo)體的PIC器件，繼續(xù)使用其芯片設(shè)計(jì)未來幾代產(chǎn)品。

此外，為了進(jìn)一步提高能效，意法半導(dǎo)體即將推出BiCMOS B55X。新一代產(chǎn)品取代現(xiàn)有的BiCMOS B55，采用硅鍺材料和 55 nm工藝制造，進(jìn)一步提升了能效。與使用 PIC100 和其他品牌的 BiCMOS 的光收發(fā)器系統(tǒng)相比，基于 PIC100 和 B55X的解決方案可以提升能效約15%。意法半導(dǎo)體還在開發(fā)硅通孔 (TSV) 連接技術(shù)和小型光調(diào)制器，以便開發(fā)者能夠使用我們的 PIC芯片設(shè)計(jì)GPU光纖輸入輸出，利用芯粒封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速通信應(yīng)用。