硅光前景展望
硅光前景展望
原創 李飛 半導體行業觀察 2022-03-14 09:47
隨著人工智能等數據中心新應用的出現，用于數據中心的基于硅光子技術的數據互聯市場也在逐漸變熱。三月是硅光技術非常熱鬧的一個月，AMD/Xilinx剛宣布和Ranovus合作發布了一款將Versal ACAP和Ranovus的Odin光通信模組集成在一起的系統，Marvell也同時發布了其400G DR4硅光平臺，而GlobalFoundries也發布了其硅光子工藝平臺Fotonix。本文將對硅光子技術的前景做一些分析，我們認為在未來硅光子技術會在數據中心中扮演越來越重要的角色，且其技術發展將會向著成本和功耗更低、體積更小的方向演進。
硅光子技術在數據中心中的應用
傳統上，基于光的通信主要是用在長距離高速通信中，例如大家熟悉的光纖寬帶入戶就是這樣的長距離高速有線通信的一個重要例子。在數據中心中，常用的數據互聯是基于銅電纜的通信。
然而，在最近幾年，隨著人工智能等應用的興起，數據中心中也在走向基于光通信的數據互聯。這主要的原因在于，人工智能等應用將對于數據互聯帶寬的需求大大提升了，而常規的銅電纜互聯越來越難以滿足需求。例如，在人工智能應用中，數據中心常常需要進行大量分布式計算，而分布式計算中，不同服務器之間需要頻繁的大量數據交換，數據互聯的帶寬往往會限制整體任務的性能。這也是大數據時代的一個特點，即算法為了處理海量數據，數據訪問的性能和計算性能幾乎一樣重要，有時候甚至更重要；而隨著算法規模越來越大，需要使用多臺服務器進行分布式計算的場合也越來越多，因此服務器之間的高速數據互聯就成為一個極其重要的核心技術了，而這成為數據中心引入超高帶寬基于硅光子的數據互聯的主要理由。在幾年前，人工智能剛剛興起時，Nvidia就憑借和Mellanox的合作在機器學習訓練中引入基于光互連的InfiniBand從而助力高性能訓練，而到了今天類似的超高速光互聯已經幾乎成為數據中心的標配。
在未來，我們認為大數據和人工智能將繼續成為驅動數據中心市場的主要動力。正因為如此，未來數據中心對于基于光的數據互聯的需求可望進一步增加，而這也將進一步提升硅光子的市場規模，我們也因此看到了半導體業界的幾大巨頭都在積極布局相關的硅光子技術。
硅光子技術與CMOS芯片設計
我們認為，硅光子技術目前正在經歷一場重要的技術革新，其中的核心技術就是協同封裝光子（co-packaged optics，CPO）技術，使用該技術可以把硅光子模塊和超大規模CMOS芯片以更緊密的形式封裝在一起，從而在成本、功耗和尺寸上都進一步提升數據中心應用中的光互連技術。
CPO技術的主要是指把硅光模塊和CMOS芯片用高級封裝的形式（例如2.5D或者3D封裝）集成在一起。在CPO技術興起之前，目前的傳統技術是把硅光模塊和CMOS芯片獨立成兩個單獨模塊，然后在PCB板上連到一起。這么做的好處設計較為模塊化，CMOS芯片或者硅光模塊單獨出問題的化都可以單獨更換，但是在功耗、尺寸和成本上都較為不利。例如，由于硅光模塊的輸出是超高速數據，這些數據使用PCB板連接到CMOS芯片上會遇到較大的信號耗損，因此需要恨到的功耗才能支持高數據率。此外，成本上要設計支持超高速信號的PCB也需要較高的開銷，而在尺寸上來說分立的硅光模組和CMOS芯片通常集成度更低，這也限制了進一步提升數據中心中的服務器密度。
而CPO就是為了解決這些問題的技術。當使用高級封裝技術把硅光模塊和CMOS芯片集成到同一個封裝內之后，首先硅光模塊和CMOS芯片之間的數據連接質量（信號耗損）相比PCB板來說要改善不少，因此能降低功耗；另一方面在大規模量產之后，高級封裝也能帶來成本上的改善。最后，使用CPO之后，由于都集成在同一個封裝內，整體系統的集成度大大提升，尺寸減小，因此也能提升硅光子技術在數據中心應用場景的普及。
目前，眾多硅光子領域有投資的巨頭都在大力發展CPO技術。如前所述，硅光子技術帶來超高速互聯是人工智能等分布式高性能計算的核心技術，因此以數據中心為主要市場的公司如Nvidia和AMD都對于CPO有大量布局和投入。Nvidia自從收購Mellanox之后，也進一步強化了其在高性能光互連方面的能力，而在CPO方面Nvidia也公布了其目前的在研技術，即使用CPO技術把GPU和硅光子芯片集成在同一個封裝內，以同時支持24路NVLINK，從而實現4.8Tbps的超高速互聯。
而在數據中心中與Nvidia直接競爭的AMD則也在大力布局CPO技術，日前公布的和Ranovus的合作我們認為就是AMD對于CPO的重要投資。Ranovus是CPO領域的重要技術創新公司，它和TE Connectivity，IBM和Senko共同研發的CPO技術目前已經實現了把硅光子模塊和收發模塊以很高的集成度集成在同一塊芯片中（而非常規的CPO技術中硅光子模塊和收發模塊仍然是兩塊單獨的芯片），從而實現了更好的集成度和性能。Ranovus把自己的獨特技術稱為CPO 2.0，我們也預期AMD通過與Ranovus合作可以進一步提升自己在數據中心光互聯領域的能力。
除了主要用于自家高性能計算系統的Nvidia和AMD，Broadcom和Marvell等重要的網絡通信提供商也在硅光子和CPO領域有不少投入。Marvell剛剛在OFC大會上發布了其400G DR4硅光芯片，具有很高的集成度，包括收發模塊和激光驅動模塊，該芯片通過CPO技術和Marvell的Teralynx網絡開關集成在一起，實現了超高數據帶寬。
硅光技術的工藝平臺
在工藝方面，GlobalFoundries是硅光子技術方面的投入程度可能是幾家主流代工廠中最積極的。在硅光子技術方面，GlobalFoundries從數年前就開始積極布局，目前能提供先進的硅光子工藝平臺，包括各種光波導、相移器、極化器、光二極管等等，除了硅光子工藝之外，GlobalFoundries還提供高級封裝選項，幫助客戶實現CPO技術。在GlobalFoundries剛剛發布的Fotonix平臺中，更是進一步把硅光子和CMOS整合在同一塊芯片上，從而能實現更高的性能和集成度。根據GlobalFoundries公布的資料，目前其Fotonix平臺的客戶包括Broadcom，Marvell，Nvidia，Cisco，Ranovus等硅光子領域的重要廠商，未來前景大有可觀。
除了GlobalFoundries之外，Intel也在積極布局硅光子的工藝技術。在高速網絡交換芯片市場，Intel正在力推其Tofino方案，其中也包括了自研的硅光子技術和高級封裝技術。Intel在這兩個領域其實技術積累較為深厚，在六年前，現任Intel CEO Pat Gelsinger（當時還是副總裁）就在力推硅光子技術，并且認為硅光子在未來一定會成為主流技術。憑借Intel在硅光子工藝和封裝技術領域的積累，我們認為未來Intel也將會成為該領域的有力競爭者。
總而言之，我們認為在未來，硅光子的主要技術演進將集中在更高集成度，以及和CMOS芯片的封裝上面，而先進的硅光子制造工藝以及封裝技術將會成為硅光子技術演進的核心技術支撐。
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