意法半导体将推出新型硅光子工艺

2025-02-21

芯片制造商意法半导体（ST）透露了新一代专有技术的细节，这些技术能够在数据中心和人工智能（AI）集群中实现更快的光互连，计划于今年下半年提升产量。

这家总部位于瑞士日内瓦的公司在欧洲和东亚拥有多个半导体制造设施，已与主要客户和数据中心巨头亚马逊网络服务（AWS）合作开发了新的硅光子和 BiCMOS 硅锗工艺。这些新工艺旨在提高提供 800Gb/s 和 1.6Tb/s 数据速度的光互连性能，包括更节能的操作。

▲意法半导体的“PIC100”硅光子学晶圆

ST 解释说：“随着人工智能计算需求的指数增长，计算、内存、电源和连接它们的互连在性能和能效方面出现了挑战。”

“在数据中心的互连核心是成千上万甚至数十万的光收发器。这些设备将光信号转换为电信号，反之亦然，以允许图形处理单元（GPU）计算资源、交换机和存储之间的数据流。

“在这些收发器内部，ST 的新专有硅光子技术将为客户提供将多个复杂组件集成到一个芯片中的能力，而 ST 的下一代专有 BiCMOS 技术带来了超高速和低功耗的光连接，这是维持人工智能增长的关键。”

首批光子集成电路（PIC）产品

ST 微控制器、数字 IC 和 RF 产品集团总裁Remi El-Ouazzane指出：“这两种技术都将在欧洲采用 300 毫米工艺制造，为客户的光模块开发战略的两个关键组件提供独立的大批量供应。

“今天的公告代表了我们光子集成电路（PIC）产品系列的第一步，并且由于与整个价值链上的关键合作伙伴的密切合作，我们的目标是成为数据中心和 AI 集群市场硅光子和 BiCMOS 晶圆的关键供应商，无论是今天的可插拔光学器件还是未来的光学 I/O。”

AWS 的副总裁Nafea Bshara在意法半导体的公告中补充说：“AWS 很高兴与意法半导体合作开发新的硅光子技术 PIC100，这将实现包括人工智能在内的任何工作负载之间的互连。

“AWS 正基于意法半导体已展示的能力与他们合作，使 PIC100 成为光学和人工智能市场领先的硅光子技术。我们对这将为硅光子带来的潜在创新感到兴奋。”

ST 还引用了光通信市场咨询公司 LightCounting 的首席分析师弗Vladimir Kozlov的话，他指出可插拔光学器件市场——2024 年已经价值 70 亿美元——有望实现更快速的增长。

Kozlov表示，未来五年的总增长率平均将达到 23%，这意味着到 2030 年市场规模将超过 240 亿美元。他补充说：“基于硅光子调制器的收发器的市场份额将从 2024 年的 30%增加到 2030 年的 60%。”

法国晶圆厂

ST 的新 PIC 和 BiCMOS 技术将在该公司位于法国格勒诺布尔附近的 Crolles 工厂生产。

在一篇随附的博客文章中，将硅光子技术的推出描述为“极具象征意义”，该公司表示：“PIC100 是 ST 的首款硅光子技术，也是 300 毫米晶圆上效率最高的 PIC 之一，从而能够实现每通道 200 Gbps 的速度，未来甚至能实现更高的带宽。”

该文章指出，随着带宽的增加，保持模块冷却变得更加困难。ST 写道：“问题在于，虽然服务器对于人工智能和其他数据密集型应用需要更高的数据吞吐量，但高温可能会导致严重的挑战，如性能下降和可靠性问题。”

“此外，数据中心努力追求更可持续和高效，但更热、要求更高的光收发器与这些目标背道而驰。”

边缘耦合器

为了提高效率，PIC100 工艺融合了多项光学创新，包括 ST 所谓的“同类最佳”硅波导，将损耗降低至仅 0.4 分贝/厘米，以及低至 0.5 分贝/厘米的氮化硅（SiN）波导损耗。

PIC100 还提供了带宽为 50GHz 的马赫-曾德尔调制器和高达 80GHz 的高速光电探测器。

“简单地说，PIC100 的独特之处在于将所有这些最先进的器件集成在同一个 300 毫米的堆叠中，”该公司声称。“效率也是我们采用边缘耦合器的原因。”

虽然光栅耦合器允许晶圆级测试并提供更灵活的放置，但 ST 表示，由于散射效应以及耦合器和光纤之间更显著的不匹配，它们会遭受更大的损耗。

“通过采用边缘耦合器，我们可以更好地将光纤模式与片上 SiN 波导匹配，从而实现更高效的耦合，损耗低于 1.5 分贝。”