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矽光子大勢降臨 台灣迎接光與電整合新挑戰
如何攻克模擬、檢測、I/O三大難題

【作者: 籃貫銘】   2023年08月23日 星期三

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矽光子(silicon photonics)絕非易事,因它是個徹底跨領域的科技,是把光與電放在同一個晶片中進行操控的技術,開發者不僅要熟悉電子學,對於於光子學也要聊若指掌。但是台灣產業界長期以來就只專研於電子,對於光子可以說所知甚少,如何把進度趕上,成為當前半導體產業最重要的課題。


所以對台灣的半導體來說,想要在矽光子這場戰役中勝出,若不採團體戰(打群架)的方式,獲勝的機會可能非常的渺茫。而且這個團戰的規模還必須要更深更廣,要連同產官學研都一同納入,且投入的金額與時間也都要更升一級才行。


矽光子具備高速、高效優勢 封裝為技術瓶頸

工研院電子與光電系統研究所組長方彥翔指出,矽光子技術的優勢計有高速、高整合度、低能耗和成本較低等效益。以資料處理中心的光收發器模組為例,過去要以人力將一個個不同的零件(如雷射、檢光器、分波多工器等)組裝在一起,很吃人力成本;但矽光子則直接將所需的光電元件整合在單一矽晶片中,不但可大幅降低組裝成本,良率也高出許多。


方彥翔目前擔任工研院矽光子項目的計畫主持人,除了領導技術研究,也積極與產業介接,推動矽光子產業的發展。


方彥翔表示,矽光子技術的近期發展躍進除了矽光子元件本身性能的突破外,還包含了光晶片的封裝、量測與模組整合等。隨著矽光子技術逐漸成熟,更多注意力被放在開發先進的封裝技術,以實現高密度和高可靠性。而先進封裝技術能夠在微小的體積下整合多個元件,同時確保優異的散熱和光學性能,目前國際的發展趨勢更加強調系統整合、多功能性和應用的多樣性。



圖一 : 矽光子具有高速、高整合度、低能耗和成本較低等效益,成為當前AI運算應用的關鍵解方。圖為imec的矽光子原型晶片。(source:imec)
圖一 : 矽光子具有高速、高整合度、低能耗和成本較低等效益,成為當前AI運算應用的關鍵解方。圖為imec的矽光子原型晶片。(source:imec)

而矽光子技術之所以能夠在近期有所突破,其中最大的成長驅力就是在於日益成長的高速數據傳輸和處理需求。而傳統的方式已經達到瓶頸,無法滿足這種迅速增長的需求,特別是AI應用的崛起,更加劇了此一需求的發展,尤其是在資料中心應用方面。


方彥翔解釋,矽光子技術是基於矽材料將光子和電子相結合,能在晶片上實現高速、高頻寬的光通訊和光電子學功能。這種技術能夠提供更高的傳輸速度、更低的能量消耗及傳輸損耗,從而實現更高效的數據傳輸和處理能力。因此,矽光子技術被視為解決資料中心和高性能計算系統面臨的數據傳輸瓶頸的關鍵技術之一。


他預估,未來5年內,當數據傳輸速度從25.6Tbps增加到204.8Tbps時,傳統的光收發模組架構傳輸的損耗,會成為當前資料傳輸的瓶頸。而基於矽光子技術的共封裝光學模組(Co-Packaged Optics;CPO),提供了更高的傳輸速度和低損耗,有望提供高於30倍以上的計算能力,將成為各國大廠競相投入研發,成為解決方案之一。


不過矽光子技術並非易與之輩,它的發展正面臨幾個關鍵瓶頸。方彥翔表示,首先,矽光子晶片的製造成本高,限制了矽光子在大規模應用中的推廣,因此降低成本是迫切需要解決的課題;再者,矽光子元件的效能和穩定性仍需進一步提升,需針對設計、製造和測試進行深入研究,確保持久穩定運行和高效能。


他進一步指出,在矽光子晶片上實現高效的光源整合是一個挑戰,光源作為關鍵元件需要在矽材料上實現高效的發射和檢測。而更好的發射和接收整合是提升矽光子系統性能的關鍵,需要找到有效的方式,將光源和檢測器整合在單一矽晶片上。而這些挑戰仍需要技術突破和持續地研究投入,他也預計在未來數年到十年內,可能取得實質進展,推動矽光子技術實現更廣泛的應用。


台灣具半導體與光電聚落優勢 欠缺系統垂直整合

既然矽光子是次世代運算技術的灘頭堡,台灣自然不應該,也不能缺席。甚至還有相對的利基優勢,可以在這一場競逐之中,取得先機。


方彥翔指出,台灣已有完整半導體製造、設計、封測整合產業,並在消費型網通裝置、設備市場皆有完整的耕耘,因此在此刻對於運算、網通需求大增,且節能意識抬頭之時,投入高速光電通訊晶片開發,可順勢馬上銜接上游製造及下游系統應用,在核心元件自主下,帶動台灣整體產業加值空間。


他也強調,雖然台灣產學研在矽光子領域仍在起步階段,但已具備了一定的研發能量,以工研院為例,就擁有矽光子設計能力、高速光電量測平台,以及8吋矽光子製程的開發經驗,加上CPO技術尚處於萌芽階段,產業鏈未明,各個團隊的起跑線差距並不大。


圖二 : 方彥翔目前擔任工研院矽光子項目的計畫主持人,積極推動矽光子產業的發展。(source:工研院)
圖二 : 方彥翔目前擔任工研院矽光子項目的計畫主持人,積極推動矽光子產業的發展。(source:工研院)

方彥翔認為,矽光子技術要追趕上國際大廠的發展,首先可以利用台灣在半導體和光電產業基礎優勢上,配合政府在矽光技術領域提供更多的資源投入,以加快技術的突破和創新;其次是加強產學合作,促進產業和學術界之間的合作,建立矽光子技術的研發和應用平台,共享資源和專業知識,加速技術轉化和商業化;最後是強化國際合作,與國際領先的矽光子研發機構和企業合作,進行技術交流和合作項目,吸取國際先進經驗,加速台灣在矽光子領域的發展。


當然台灣要發展矽光子技術也並非沒有劣勢,包含目前高速光電通訊晶片都還由Broadcom、Marvell等國外大廠掌控,此一元件除本身經濟規模龐大,還連帶影響台灣伺服器產業的自主發展空間及軟體應用生態,也對高效網通系統發展形成主要瓶頸。


再者,矽光子晶片越微縮,光學對接技術需更精準,傳統光纖轉接頭體積大,當I/O資料量增加時,無法提升I/O密度;然而,高精度矽光子光學對位方面,目前台廠技術能力尚且不足,目前矽光子設備關鍵對位模組多由FiconTec、PI、ASML和FIBERPRO等國外公司壟斷。


最後一點,則是缺乏垂直整合;方彥翔指出,台灣雖擁有完整半導體、IC設計、封裝測試等上下游產業鏈,但缺乏系統廠做承接,也限制了台灣在矽光子應用的研發自主性。


國際大廠競相投入 台積又成兵家之地

矽光子技術的重要性,全世界也都看到了,因此歐洲、美國、日本、中國等主要的科技大國,在幾年前便相繼投入大筆的研發經費,要培養相關的供應鏈與人才,以避免在未來的科技競爭中落後。台灣起步雖晚,但近期在國際大廠的積極要求之下,也開始加速發展矽光子的技術服務,其中台積更是兵家必爭之地,因為它扮演著先進製程與光電晶片整合的關鍵角色。


「小三現在要變正宮了!」洪勇智教授用一句俗話來比喻當前矽光子的角色變換。


洪勇智教授目前為中山大學光電工程學系的產學研究特聘教授,主持積體光電元件實驗室,長期投入矽光子技術的研究,並率領團隊開發出微型矽光子陀螺儀驅動晶片,且與台積電共同進行多項的產學研究。


洪勇智教授指出,在ChatGPT等生成式AI應用的驅動下,Apple、AMD和NVIDIA等國際大廠已把矽光子技術正式放入處理器晶片的發展路線中,這也迫使台積電必須加速內部矽光子晶片的研發時程,以滿足客戶的需求。加上這些一級客戶投入的資源十分龐大,更提升了矽光子技術在台積的發展重要性。


至於為什麼國際大廠會轉往台積電來發展矽光子(過去多是在GlobalFoundries),洪勇智教授認為,主要的原因可能是矽光子需與先進製程整合的考量。


他表示,目前半導體有兩個重要的發展方向,一個就是先進製程的演進,也就是3奈米和2奈米等技術的推進;另一個則是矽光子。但矽光子最後仍是要與先進製程晶片進行整合,因此與其分開進行,不如就在台積電一次到位完成。尤其是目前先進製程僅剩下台積、三星與英特爾有能力提供服務,在營運策略的考量下,台積就會是首選。



圖三 : NVIDIA等大廠已把矽光子技術放入發展路線中,迫使台積電必須加速內部的研發時程,以滿足客戶的需求。(source:台積)
圖三 : NVIDIA等大廠已把矽光子技術放入發展路線中,迫使台積電必須加速內部的研發時程,以滿足客戶的需求。(source:台積)

矽光子應對類神經運算 更適合AI應用

洪勇智教授也從技術原理方面,解析矽光子為何對於AI運算更加有利。他表示,光運算很早就已提出,但後來就漸漸沒有人提。很大的原因就是「電」其實更加符合傳統的運算邏輯機制,直到AI出現。


相較於傳統的運算,AI其實已經不再是邏輯運算,它更朝向是屬於類神經網路的運算。而類神經網路運算是做一些大量的乘法和加法,而這在傳統的數位運算裡面不是這麼容易的,因為傳統的數位是屬於階梯化的形式,解析度不容易達到需求,此時反而要用類比的方式來做比較容易。


而「光」先天就是一個類比訊號,用來做運算在這幾年真的非常的火熱,因為它又能高速又是類比的訊號,用來處理CNN(Convolutional neural network)的運算,是比較有效率的。因此也帶動矽光子在這一兩年之內有很大幅的進展。


洪勇智也指出,矽光子近一年之內有許多的新發展,不管是在國際研討會或者產業內都有非常大的重心放在光運算。尤其是許多的國際研討會中,可以發現


很多的主題都圍繞在「Photonics Computing」,因為光的計算量不管是傳輸的速度、頻寬和損耗等,都比電更加優異。而這個優勢在AI世代將更加明顯。


圖四 : 中山大學光電工程學系洪勇智教授,長期投入矽光子技術的研究,並與台積電共同進行多項的產學研究。
圖四 : 中山大學光電工程學系洪勇智教授,長期投入矽光子技術的研究,並與台積電共同進行多項的產學研究。

矽光子三大瓶頸:模擬、檢測、I/O

而在光元件發展方面,其實目前各個獨立的光元件技術已相當成熟,包含光源、光傳、光收發器等,都已經有相關的解決方案,甚至效能也都十分的卓越,唯一的挑戰是在把它們整合在一起,並與電一同運行,也就是「光電協同」的問題。


洪勇智表示,電與光各自的元件基本上都一直在往前走,只有光和電整合這一塊的進展比較緩慢。不管是光與電的共同模擬(co-simulation),或者是光電的共同整合,也就是封裝(CPO)的部分,都仍待進一步的突破。


他指出,目前光與電的模擬仍是分開進行,也就是電的模擬在電的軟體中進行,光的模擬則是在光的軟體中進行,但矽光子是在一個晶片封裝中同時運行,因此必須要把光與電同時模擬才行。而這就有賴Cadence、Synopsys和Ansys這些EDA業者的一同來參與,才能盡早克服。而唯有共同模擬的環節突破了,後續的共同封裝才能更加順暢。


另一個跟模擬息息相關的問題,就是光I/O設計的挑戰,特別是當光I/O的數量到了一定的程度之後,在一顆小小的晶片內的光源要如何設計,是要走晶片內或者晶片外,都需要透過模擬工具來進行解決。尤其光的運行速度非常快,因此也會產生熱的問題,所以整合性的模擬工具對於矽光子的發展至為重要。


相對於設計端的光電共同模擬,產品完成後的光電共同檢測也是另一個難題。洪勇智指出,目前光電檢測仍是屬於分開的情況,因為市場上並沒有可以同時檢測光與電的設備,矽光子晶片究竟要如何進行檢測,仍是產業界的一大挑戰。尤其是矽光學通常是屬於三五族的材料,但這個材料對於晶圓廠來說是很敏感的汙染源,因此能否與當前的晶圓製程整合,仍在未定之天。



圖五 : 光與電的共同模擬(co-simulation)是矽光子的重要發展關鍵。圖為Ansys的矽光子設計與模擬方案。(source:Ansys)
圖五 : 光與電的共同模擬(co-simulation)是矽光子的重要發展關鍵。圖為Ansys的矽光子設計與模擬方案。(source:Ansys)

產官學研攜手 加速突破技術瓶頸

從前述的發展現況與諸多挑戰來看,台灣矽光子產業要能成形,絕非這一兩年的事情,仍需要一段時間來醞釀。但由於這是一個強調整合與跨領域科學的技術,因此想單靠一家公司,或者一個領域來切入,恐怕是會事半功倍,最好的途徑就是產學的合作,同時政府給予大力的資源支持。


洪勇智表示,台灣有非常完整的半導體產業鏈,在「電」的領域幾乎是一條龍的從設計到製造,再到封裝,甚至到最後的系統,台灣都是有不少的企業。例如聯發科、台積電和日月光等,伺服器則有緯創和廣達等。不足的地方就是起步真的比較晚,仍有很多人不熟悉光子技術。


此外,相較於歐洲、美國、日本和新加坡,台灣政府在矽光子的支持上也非常的少。洪勇智舉歐美為例,他表示,歐盟在2013年就開始支持比利時微電子研究中心(imec)進行矽光子研究,將學術與產業的研發能量都集中在這個機構。美國則是在2016年時由總統歐巴馬啟動成立,當時從IBM拿了一條產線來做矽光子,並要求全美的研究計畫都要在此產線進行,以加速矽光子的發展。


至於台灣方面,洪勇智認為,目前對於矽光子技術了解最多、人力資源最豐富的地方,其實是學界,因此應該充分運用學術研究將矽光子的能量帶起來。但反之,學校的軟硬體資源也最缺乏,這就需要結合產業界與政府的力量。


儘管目前台灣在矽光子的研發力道仍相當分散,但他相信聚沙成塔,透過持續的累積,堆疊起來的成果仍將是相當可觀,而且學界又更加天馬行空,更能為台灣發展矽光子技術帶來新的刺激與可能性。


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