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CMOS矽光製程大突破 百萬兆次運算不是夢!
 

【CTIMES/SmartAuto 鍾榮峰 報導】   2010年12月01日 星期三

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IBM在奈米光電(nanophotonics)技術上又有重大的突破!以既有的CMOS製程為基礎,IBM公佈了可用光脈衝加速資料傳輸的矽奈米光電技術。不久的將來,這項技術將可全面取代目前晶片之間傳輸容量較低的銅線設計,讓晶片與晶片的傳輸速率突破百萬兆次(million trillion;exaflop)數學運算等級,進而提高超級電腦的運算能力達1000倍以上,百萬兆級系統(exascale system)已經不是夢!

IBM是在日本千葉幕張所舉辦的Semicon Japan展會中,公佈這項名為CMOS整合矽奈米光電(CMOS Integrated Silicon Nanophotonics;CISN)的技術,以及首先應用的光學收發器樣品。這個光學收發器模組將光調變器、光波導元件、波長多工器、光交換器和光偵測元件,整合在單一CMOS晶片中,預計在2011年可進入商業化階段。

IBM開發奈米光電技術已經有一段時間。CISN技術最大的突破在於,可以既有CMOS製程和標準矽晶片生產線來落實,並不需要其他額外的設計工具或製程,突破了矽光(silicon photonics)元件技術的瓶頸,並大幅降低矽光模組的成本價格,更加速了奈米光電技術的商業化進程。

以往的光學元件多半是採用砷化鎵或是磷化銦等材料,矽材料雖然是價格較低廉的另外選擇,不過往往會產生光傳輸效能不彰的問題,特別是在射極元件部份,因此射極元件多半採用三五族化合物材料。這也是為什麼,IBM推出CISN技術為基礎的光學收發器樣品中,矽材料的射極元件尚未整合在內的原因。不過CISN技術已經可以將大部分光學元件轉換為矽材料和CMOS晶圓製程,就是相當重要的突破。

目前IBM所展示的樣品是採用130奈米CMOS製程,不過IBM期待不久後便能進入100奈米以下的CMOS製程階段。這是IBM在CISN製程技術的另一項突破,把鍺(germanium)層埋在CMOS堆疊層的底部。IBM宣稱這樣的設計可讓晶片尺寸縮減到1/10,讓65奈米CMOS製程晶片上的奈米光電元件尺寸,進一步縮小到1公釐平方面積的一半而已。

現在IBM強調的是CISN技術可進入CMOS晶圓製程階段,首批光學收發器產品預計可在明年進入商業化進程。對於CISN技術的應用發展藍圖,IBM規劃先從伺服器和超級電腦之間的傳輸開始,按部就班地過渡到同一系統內板子之間的傳輸階段,然後進入到同一基板內晶片之間的傳輸階段。更為長期的目標規劃,是把CISN技術滲透到電晶體內部之間也採用奈米光電技術的最終階段。

藉由提高光電傳輸頻寬和電晶體整合密度,IBM預估這項CISN技術為基礎的CMOS矽光元件,10年內可讓超級電腦在10年內進入百萬兆級運算(exascale computing)等級。目前運算能力最快的超級電腦,數學運算速度在每秒2000兆次(2 petaflops;2000 trillion)等級。現在的超級電腦雖然已經採用光學技術作為晶片之間傳輸的基礎,不過傳輸速度只能在rack-level階段,且只能藉由單一光波長來傳輸。IBM的矽光模組可採取多通道設計,整合於單一基板上,支援多個同時並行的光波長傳輸。

未來以CISN技術為基礎所設計的矽光元件,可將電子和光學收發模組整合在單一晶片上,取代傳輸容量較低的銅線,讓CMOS電晶體所產生的電子訊號,轉換成光的脈衝,進而大幅加速晶片之間的傳輸速度。

除了IBM之外,英特爾和Luxtera也同樣正在開發矽奈米光電技術的微型化製程。其實,Luxtera已經先開發出矽光元件收發器,可藉由4個多通道,個別傳輸每秒100億位元、也就是10Gb的資料量,Luxtera也公佈了每通道可傳輸25Gb資料量的矽光元件收發器設計。Luxtera認為,採用傳統的光學材料,也是可以達到技術上和成本上的優勢,相關產品也即將進入商業化階段。

另一方面,英特爾也公佈自己整合光學和雷射元件的光收發器樣品,同樣是採用4通道設計,個別通道每秒傳輸速率為12.5Gb/s。不過這項技術仍處於實驗室階段,英特爾還沒有公佈商業化進程時間表。英特爾的光收發器雖是以矽材料為基礎,但也有添加磷化銦材料在內。

關鍵字: silicon photonics  CMOS  nanophotonics  exascale computing  IBM  Intel(英代爾, 英特爾Luxtera  光纖配接設備  傳輸材料 
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