半导体行业接近 400 Gb/s 光子学里程碑

数据中心内部密集部署的计算机所依赖的光链路，不久后或许将迎来关键性升级。现在，至少有两家公司 Imec 和 NLM Photonics 表示，他们要么已经实现了每通道 400 吉比特的数据速率，这是数据中心的下一个关键目标，要么已经实现了这些速度。此外，两个团队的设备都不依赖奇特的新技术，而是基于硅。

如今，数据中心内的服务器机架使用光收发器在数十或数百米外相互通信，光收发器将电子位编码到光束上，并在另一端解码它们。收发器位于电缆的末端，每根电缆都装有 8 根光纤。比利时根特大学 Imec 研究小组 IDLab 的研究员 Cedric Bruynsteen 表示，目前，此类收发器的典型数据速率为每通道 100 Gb/s，该行业正在迅速提高到 200 Gb/s。

然而，“人工智能训练集群和其他计算密集型应用程序的爆炸性增长正在推动对更大带宽、更高性能和更高效率的迫切需求，”Bruynsteen 说。因此，每通道 400 Gb/s 收发器“将代表一个新的里程碑”。

为满足这一需求，科研人员正探索多种技术路径。例如，半导体巨头台积电正与美国艾维西纳公司合作研发基于微型发光二极管的互联设备。加州大学圣巴巴拉分校电子与计算机工程教授 Clint Schow 表示：“这些技术都有可能成为最终的主流方案，目前该领域的竞争态势尚不明朗，就像一片待开拓的蛮荒之地。”

西雅图 NLM Photonics 首席技术官兼联合创始人 Lewis Johnson 表示，由于能源效率和其他因素，硅光子学通常被认为无法扩展到每通道 400 Gb/s。因此，研究人员正在探索其他平台，例如磷化铟 （InP）、钛酸钡 （BTO） 和薄膜铌酸锂 （TFLN），他指出。

然而，这些新平台在光互连方面也有其自身的缺点。例如，Bruynsteen 表示，InP 从根本上受到较小晶圆尺寸和较高制造成本的限制。Johnson补充说，BTO 和 TFLN 都需要昂贵的制造修改。

现在，Imec 和 NLM 都表明，现在否定硅可能还为时过早。“即使对于要求最苛刻的高速应用，硅仍然有足够的空间。”Bruynsteen 说。

Imec 的新型调制器

Imec 的研究人员开发了一种硅锗电吸收调节器。当施加电压时，半导体会吸收更多的光，从而使器件控制通过它的光信号的强度。

Imec 指出，新设备可以提供每通道 448 Gb/s 的数据速率，这是所有硅基电吸收调制器中的首创。“电吸收调制器一直是一个有趣的组件，因为它们独特地结合了低功耗、紧凑的占地面积和高速运行，”Bruynsteen 说。“将所有这些优势整合到一个设备中可以说是调制器设计的圣杯。”

448 Gb/s 可能不是该技术的最高速度。“我们现在已经到了测试设备成为限制因素的地步，”Bruynsteen 说。他指出，更高频率的测量工具可以帮助探索新设备的数据速率可以达到多快。

这款器件在传统 C 波段（波长约 1550 纳米的红外线，常用于长距离光通信）下性能最佳。不过 Clint Schow 指出，当前多数数据中心的光链路采用 O 波段（中心波长约 1310 纳米）传输。这是因为 O 波段的色度色散现象更轻微 —— 色度色散会导致不同波长的光在介质中传播速度不同，进而造成光脉冲扩散失真。但他补充道，鉴于数据中心内部光链路的传输距离相对较短，色度色散不会对该器件的应用造成影响。

Bruynsteen 说，这种大约 300 平方微米的新型设备使 Imec“能够利用标准 CMOS 制造的可扩展性和成本效益”。这“可能是 Imec 在这方面的强项之一，”Schow 说，他没有参与 Imec 或 NLM 的研究。这家总部位于比利时的研究机构在 9 月于哥本哈根举行的欧洲光通信会议上详细介绍了其工作。

Bruynsteen 说，目前 Imec 正在与合作伙伴分享他们的新设备，以探索其在 AI 训练集群和其他高性能环境中的潜力。“我们的下一个目标是在真实的数据中心条件下验证设备，例如升高的工作温度和广泛的光功率水平，以确保稳定可靠的性能，”他说。

混合硅有机光子学

与 Imec 相比，NLM Photonics 采用硅-有机混合光子学。他们的每个新芯片都拥有八个 Mach-Zehnder 调制器，这些调制器将光从两个独立的臂中分开进入它们。该芯片可以电改变其中一条路径的光学特性，从而改变其相位。当这些光束重新结合时，任何相移都会改变产生光的强度。与普通硅相比，NLM 使用的硅-有机杂化材料需要更少的电压来改变其光学特性。

第三方测试发现 NLM 的芯片每通道数据速率为 224 Gb/s。Johnson 说，该公司现在的目标是“与我们的合作伙伴一起展示每通道 400 Gb/s 的链路，展示实际的性能扩展”。NLM 在 10 月份的光子云计算行业峰会上详细介绍了其发现。

NLM 声称其八通道芯片的运行效率是传统硅光子调制器的 10 至 15 倍，这要归功于极低的工作电压：新器件的工作驱动电压为 1 V 或更低，而类似的硅光子调制器的工作电压为 2.5 至 3.5 V。NLM 芯片也比采用竞争技术制造的芯片更小——17 平方毫米，而 25 至 50 平方毫米。

尽管 NLM 的设备使用了当今光子学制造中不常见的有机材料，但它在制造过程中的处理时间足够晚，因此不会导致昂贵的修改。

Johnson 表示，公司近期的核心目标是推动该技术的规模化量产。团队正在研发自动化生产流程，以便将有机电光材料融入现有的晶圆代工厂生产流程，且不会干扰现有的生产线运行。

Schow 指出，对 NLM 工作最有可能的批评将集中在有机材料随着时间的推移证明如何稳定的问题上，“但这些年来聚合物已经变得更好了。

Johnson 说，NLM“记录了出色的材料级稳定性结果”。它显示出超过 120 °C 的长期热稳定性和能够承受电信硬件 85 °C、湿度和热测试要求的封装技术。他说，NLM 还在内部开发下一代材料，以增强热稳定性，适用于更苛刻的加工条件，以及数据通信以外的应用，例如量子计算。

Schow 评价称，在这两项技术突破中，爱思强的方案或许更为稳妥可靠，该器件目前已能实现 300 毫米晶圆级生产，不存在制造层面的争议。不过他也提到，聚合物材料有望成为 “超越硅基” 的创新性技术。“随着光链路速率不断提升，在新一代材料的影响下，最终哪项技术会成为主流，现在还难以定论。”