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自主科技| 「晶片出光」現突破 片上光連成實現

九峰山實驗室
九峰山實驗室在中試線製備出8 寸矽基片上光源晶片晶圓,III-V材料結構的納米晶體激光發射器,終於可直連數據中心微電子架構。

[自主科技]

中國矽光子產業快速發展,最近研究人員在矽基光電的異質集成,攻克了矽光子研究的最後一哩。

人工智能爆發,存儲和傳輸需求增長,電晶體尺寸又接近物理極限,製程持續微縮後,不斷縮小後,大量數據傳輸,發熱和功耗大增,須靠液冷才能解決散熱。

雖然光通信領域,光電晶片只是提升數據傳輸,計算仍靠要集成電路。但是光纖比銅纜,約減少八成耗能,目前數據中心不少七成以上,已轉用了光纖連接。如果晶片以光信號直連,可減少晶片開關產生熱力和能耗。電子訊號開關速度上限,較光訊號低得多,加上電子產生熱能會破壞晶片,矽光子技術大幅減低能耗,近年炙手可熱。

晶片直接出光信號,由於光傳輸性能更好,替代電信號之後,可解決晶片之間過熱和耗能,更提高電子傳輸物理極限,改善數據中心、CPU / GPU 晶片和AI 晶片互連的通訊效率,甚至發展其他器件。

內地研究後發先至

但是,集成電路通過矽光晶片光電轉換後,連接外置光源和光纖通道(FC)設備,出現不少難題,包括耦光效率不高、對準調整時間長、對準的精度不夠,加上生產成本高、體積太大、難以高度整合。

近年以來,全球頂級研究機構,包括英特爾和NTT以至全球大學,大舉投入光電互連研究。本港科大和中大是研究重鎮。中大工程學院曾漢奇教授是矽光子全球先驅,開發出傳感及光互連矽光集成晶片,入選政府「產學研1+」計畫,可應用在數據中心和醫學「光學相干層析成像技術」(OCT)診斷。

矽基上直接生長具發光特性III-V 材料結構,製成激光發射器,再直接與CMOS工藝對接,此舉實現光電子與微電子的大規模集成,除了提升光通信效率,也減低成本。

但是,開發全矽光電集成平台,最困難是開發矽光晶片「心臟」,即在CMOS工藝相容的矽襯底之上,實現微納光子晶體的激光器。

中大曾漢奇教授
中大曾漢奇教授是矽光子研究先驅,開發以光傳送的晶片,可應用在數據中心及醫學用途,並入選「產學研1+計畫」(圖片來源:香港中文大學)

與城大合辦博士班

武漢的九峰山實驗室宣佈,矽光工藝團隊在 8 寸矽光晶圓上,異質鍵合了 III-V材料的激光發射器材料外延晶粒,發展具CMOS相容性的片上器件工藝,克服III-V材料結構設計與生長、材料與晶圓鍵合良率低,異質集成晶圓片上圖形化與刻蝕控制等,實現光電子與微電子大規模單片集成,激光發射器最於可直連至數據中心微電子架構。

九峰山實驗室總人數有三百多人,九成為研究人員,碩士博士研究生佔98%,現時與香港城市大學合辦博士班,採用雙導師制,博士學位由城大頒授。中國在光通信領域,光電晶片主要包括雷射器晶片、光信號調製器晶片、光傳輸晶片、光信號解調制器晶片和光探測晶片。據研究機構LightCounting數據,2021年中國首10家光模組產業的收入,已超越了西方整體供應,主導全球市場。

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