IBM要將1Tbit秒的光收發(fā)器集成于2mm見方芯片

　　光通信技術用于處理器芯片間及處理器內核間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目赡苄源鬄樘岣?。這是因為美國IBM開發(fā)出了以CMOS技術將光收發(fā)回路和電路集成于1枚芯片的技術“CMOS Integrated Silicon Nanophotonics”。IBM此次還公布了該技術投入使用的目標時間。該公司稱,將把該技術應用在定于2017～2018年開發(fā)的浮動小數(shù)點運算性能達1018FLOPS（Exa FLOPS）超級計算機（Exa機）處理器。

　　
                         IBM計劃2017～2018年開發(fā)的新一代微處理器的圖片。（圖由IBM提供）
       如果得以實現(xiàn)，則除處理器內核內部之外的數(shù)據(jù)傳輸用布線便可以用光通信技術封裝。這不僅對超級計算機，而且對多種電子設備的意義都很重大。

以WDM技術大幅削減布線數(shù)量

　　IBM認為，要實現(xiàn)運算性能為目前最快的超級計算機約1000倍的Exa機，處理器芯片間及處理器內核間的數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)光化是不可避免的。“人類的大腦也因相當于處理器的灰白質和相當于通信網(wǎng)絡的白質兩者兼?zhèn)洳诺靡杂行Чぷ鞯摹Ｈ绻踪|的數(shù)據(jù)傳輸速度低，那么好不容易得到的灰白質就不能發(fā)揮作用” （IBM硅整合納米光子項目主管Yurii A. Vlasov）。IBM指出，不用電而使用光的最大原因在于：通過應用光通信領域的WDM（波分復用）技術能夠大幅減少物理布線數(shù)量。 

　　IBM設想的Exa機的處理器是將集成于硅芯片上的處理器內核、存儲器和光通信網(wǎng)絡三維層疊,并用TSV（硅貫通電極）連接起來的（上圖）。構成數(shù)據(jù)傳輸路徑的基本要素技術，與現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心等使用的單位通道10Gbit/秒的光通信網(wǎng)絡沒有太大差別（圖1）。 

圖1：將大容量光通信集成于1枚芯片 

（a）為IBM芯片上光通信網(wǎng)絡的構成。處理器內核間的數(shù)據(jù)利用Si芯片上的光通信網(wǎng)絡傳輸。（b～e）為將光通信的各功能集成在Si芯片上的實例。WDM相當于“高速公路的入口”。

　　然而，巨大的差異在于集成度要高出幾個數(shù)量級。要將原來以100m為單位的光通信網(wǎng)絡縮小到1mm左右，即原來的10萬分之一左右的尺寸，并與驅動電路等所需電路一起集成于Si芯片上。

突破混載的最大難關

　　IBM從2006年前后就已開始利用CMOS工藝開發(fā)要素技術。比如：光的延遲回路、調制器、開關及以高感度高速工作的受光器等。此次的目標是用CMOS工藝將這些要素技術與電路混載（圖2）。 

圖2：可利用CMOS工藝制造各種光元件
圖中所示為IBM開發(fā)的工藝概要。IBM稱，光通信所需要的各種功能以標準CMOS工藝或對其加以部分調整實現(xiàn)。尤其是通過在源極/漏極激活前形成受光器，能夠簡化工藝并大幅縮小芯片面積。

　　最重要的一點是使受光器的形成在CMOS晶體管的源極/漏極激活，即燒結處理前完成。受光器是采用鍺（Ge）的APD（avalanche photodetector）。原來由于Ge的融點比較低，僅為約937℃，只能在CMOS晶體管的源極/漏極激活后形成受光器。IBM通過改變Ge APD的制造方法等，使在源極/漏極激活前就能夠形成Ge APD。

　　由此，“使用的掩模在光路和電路上幾乎可通用，制造工藝本身得到了大幅簡化”（IBM的Vlasov）。

課題是向量產(chǎn)技術的過渡

　　IBM采用此次的CMOS工藝，試制了發(fā)送端的驅動電路、調制器和WDM，以及接收端的WDM、受光器和增幅電路等各種集成于硅芯片上的元器件（圖3）。電路的集成采用了130nm工藝技術，光路的集成部分采用了65nm工藝技術。 

圖3：以單位通道0.5mm2的面積實現(xiàn)20Gbit/秒的收發(fā)元件
IBM最新的光電路混載芯片示例。（a）為光調制器與其驅動電路、WDM發(fā)送器集成于1枚芯片。（b）為WDM接收器、受光器及增幅電路集成于1枚芯片。收發(fā)元件合計面積為3.1mm2。單位通道以約0.5mm2的面積實現(xiàn)。

　　單位通道的傳輸速度為20Gbit/秒，單位通道的占用面積僅占整個光收發(fā)器的約0.5mm2。IBM稱“占用面積為競爭對手的1/10以下”。IBM表示，現(xiàn)在的目標是進一步提高集成度，以實際4mm2左右的芯片面積實現(xiàn)相當于數(shù)據(jù)傳輸容量1Tbit/秒的光收發(fā)器。

　　剩下的課題是將開發(fā)的技術應用于量產(chǎn)工藝。IBM自信地表示：“在今后幾年內實現(xiàn)當然并不容易，但迄今我們已解決了多種課題”（Vl asov ）。