硅光前景展望
硅光前景展望
原創(chuàng) 李飛 半導(dǎo)體行業(yè)觀察 2022-03-14 09:47
隨著人工智能等數(shù)據(jù)中心新應(yīng)用的出現(xiàn)，用于數(shù)據(jù)中心的基于硅光子技術(shù)的數(shù)據(jù)互聯(lián)市場(chǎng)也在逐漸變熱。三月是硅光技術(shù)非常熱鬧的一個(gè)月，AMD/Xilinx剛宣布和Ranovus合作發(fā)布了一款將Versal ACAP和Ranovus的Odin光通信模組集成在一起的系統(tǒng)，Marvell也同時(shí)發(fā)布了其400G DR4硅光平臺(tái)，而GlobalFoundries也發(fā)布了其硅光子工藝平臺(tái)Fotonix。本文將對(duì)硅光子技術(shù)的前景做一些分析，我們認(rèn)為在未來(lái)硅光子技術(shù)會(huì)在數(shù)據(jù)中心中扮演越來(lái)越重要的角色，且其技術(shù)發(fā)展將會(huì)向著成本和功耗更低、體積更小的方向演進(jìn)。
硅光子技術(shù)在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用
傳統(tǒng)上，基于光的通信主要是用在長(zhǎng)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(zhǎng)距離高速有線通信的一個(gè)重要例子。在數(shù)據(jù)中心中，常用的數(shù)據(jù)互聯(lián)是基于銅電纜的通信。
然而，在最近幾年，隨著人工智能等應(yīng)用的興起，數(shù)據(jù)中心中也在走向基于光通信的數(shù)據(jù)互聯(lián)。這主要的原因在于，人工智能等應(yīng)用將對(duì)于數(shù)據(jù)互聯(lián)帶寬的需求大大提升了，而常規(guī)的銅電纜互聯(lián)越來(lái)越難以滿足需求。例如，在人工智能應(yīng)用中，數(shù)據(jù)中心常常需要進(jìn)行大量分布式計(jì)算，而分布式計(jì)算中，不同服務(wù)器之間需要頻繁的大量數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)互聯(lián)的帶寬往往會(huì)限制整體任務(wù)的性能。這也是大數(shù)據(jù)時(shí)代的一個(gè)特點(diǎn)，即算法為了處理海量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)訪問(wèn)的性能和計(jì)算性能幾乎一樣重要，有時(shí)候甚至更重要；而隨著算法規(guī)模越來(lái)越大，需要使用多臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行分布式計(jì)算的場(chǎng)合也越來(lái)越多，因此服務(wù)器之間的高速數(shù)據(jù)互聯(lián)就成為一個(gè)極其重要的核心技術(shù)了，而這成為數(shù)據(jù)中心引入超高帶寬基于硅光子的數(shù)據(jù)互聯(lián)的主要理由。在幾年前，人工智能剛剛興起時(shí)，Nvidia就憑借和Mellanox的合作在機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練中引入基于光互連的InfiniBand從而助力高性能訓(xùn)練，而到了今天類似的超高速光互聯(lián)已經(jīng)幾乎成為數(shù)據(jù)中心的標(biāo)配。
在未來(lái)，我們認(rèn)為大數(shù)據(jù)和人工智能將繼續(xù)成為驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)的主要?jiǎng)恿ΑＵ驗(yàn)槿绱?，未?lái)數(shù)據(jù)中心對(duì)于基于光的數(shù)據(jù)互聯(lián)的需求可望進(jìn)一步增加，而這也將進(jìn)一步提升硅光子的市場(chǎng)規(guī)模，我們也因此看到了半導(dǎo)體業(yè)界的幾大巨頭都在積極布局相關(guān)的硅光子技術(shù)。
硅光子技術(shù)與CMOS芯片設(shè)計(jì)
我們認(rèn)為，硅光子技術(shù)目前正在經(jīng)歷一場(chǎng)重要的技術(shù)革新，其中的核心技術(shù)就是協(xié)同封裝光子（co-packaged optics，CPO）技術(shù)，使用該技術(shù)可以把硅光子模塊和超大規(guī)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(jìn)一步提升數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中的光互連技術(shù)。
CPO技術(shù)的主要是指把硅光模塊和CMOS芯片用高級(jí)封裝的形式（例如2.5D或者3D封裝）集成在一起。在CPO技術(shù)興起之前，目前的傳統(tǒng)技術(shù)是把硅光模塊和CMOS芯片獨(dú)立成兩個(gè)單獨(dú)模塊，然后在PCB板上連到一起。這么做的好處設(shè)計(jì)較為模塊化，CMOS芯片或者硅光模塊單獨(dú)出問(wèn)題的化都可以單獨(dú)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(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)使用PCB板連接到CMOS芯片上會(huì)遇到較大的信號(hào)耗損，因此需要恨到的功耗才能支持高數(shù)據(jù)率。此外，成本上要設(shè)計(jì)支持超高速信號(hào)的PCB也需要較高的開(kāi)銷，而在尺寸上來(lái)說(shuō)分立的硅光模組和CMOS芯片通常集成度更低，這也限制了進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)中心中的服務(wù)器密度。
而CPO就是為了解決這些問(wèn)題的技術(shù)。當(dāng)使用高級(jí)封裝技術(shù)把硅光模塊和CMOS芯片集成到同一個(gè)封裝內(nèi)之后，首先硅光模塊和CMOS芯片之間的數(shù)據(jù)連接質(zhì)量（信號(hào)耗損）相比PCB板來(lái)說(shuō)要改善不少，因此能降低功耗；另一方面在大規(guī)模量產(chǎn)之后，高級(jí)封裝也能帶來(lái)成本上的改善。最后，使用CPO之后，由于都集成在同一個(gè)封裝內(nèi)，整體系統(tǒng)的集成度大大提升，尺寸減小，因此也能提升硅光子技術(shù)在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場(chǎng)景的普及。
目前，眾多硅光子領(lǐng)域有投資的巨頭都在大力發(fā)展CPO技術(shù)。如前所述，硅光子技術(shù)帶來(lái)超高速互聯(lián)是人工智能等分布式高性能計(jì)算的核心技術(shù)，因此以數(shù)據(jù)中心為主要市場(chǎng)的公司如Nvidia和AMD都對(duì)于CPO有大量布局和投入。Nvidia自從收購(gòu)Mellanox之后，也進(jìn)一步強(qiáng)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(shù)，即使用CPO技術(shù)把GPU和硅光子芯片集成在同一個(gè)封裝內(nèi)，以同時(shí)支持24路NVLINK，從而實(shí)現(xiàn)4.8Tbps的超高速互聯(lián)。
而在數(shù)據(jù)中心中與Nvidia直接競(jìng)爭(zhēng)的AMD則也在大力布局CPO技術(shù)，日前公布的和Ranovus的合作我們認(rèn)為就是AMD對(duì)于CPO的重要投資。Ranovus是CPO領(lǐng)域的重要技術(shù)創(chuàng)新公司，它和TE Connectivity，IBM和Senko共同研發(fā)的CPO技術(shù)目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了把硅光子模塊和收發(fā)模塊以很高的集成度集成在同一塊芯片中（而非常規(guī)的CPO技術(shù)中硅光子模塊和收發(fā)模塊仍然是兩塊單獨(dú)的芯片），從而實(shí)現(xiàn)了更好的集成度和性能。Ranovus把自己的獨(dú)特技術(shù)稱為CPO 2.0，我們也預(yù)期AMD通過(guò)與Ranovus合作可以進(jìn)一步提升自己在數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)領(lǐng)域的能力。
除了主要用于自家高性能計(jì)算系統(tǒng)的Nvidia和AMD，Broadcom和Marvell等重要的網(wǎng)絡(luò)通信提供商也在硅光子和CPO領(lǐng)域有不少投入。Marvell剛剛在OFC大會(huì)上發(fā)布了其400G DR4硅光芯片，具有很高的集成度，包括收發(fā)模塊和激光驅(qū)動(dòng)模塊，該芯片通過(guò)CPO技術(shù)和Marvell的Teralynx網(wǎng)絡(luò)開(kāi)關(guān)集成在一起，實(shí)現(xiàn)了超高數(shù)據(jù)帶寬。
硅光技術(shù)的工藝平臺(tái)
在工藝方面，GlobalFoundries是硅光子技術(shù)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(shù)方面，GlobalFoundries從數(shù)年前就開(kāi)始積極布局，目前能提供先進(jìn)的硅光子工藝平臺(tái)，包括各種光波導(dǎo)、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(jí)封裝選項(xiàng)，幫助客戶實(shí)現(xiàn)CPO技術(shù)。在GlobalFoundries剛剛發(fā)布的Fotonix平臺(tái)中，更是進(jìn)一步把硅光子和CMOS整合在同一塊芯片上，從而能實(shí)現(xiàn)更高的性能和集成度。根據(jù)GlobalFoundries公布的資料，目前其Fotonix平臺(tái)的客戶包括Broadcom，Marvell，Nvidia，Cisco，Ranovus等硅光子領(lǐng)域的重要廠商，未來(lái)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(shù)。在高速網(wǎng)絡(luò)交換芯片市場(chǎng)，Intel正在力推其Tofino方案，其中也包括了自研的硅光子技術(shù)和高級(jí)封裝技術(shù)。Intel在這兩個(gè)領(lǐng)域其實(shí)技術(shù)積累較為深厚，在六年前，現(xiàn)任Intel CEO Pat Gelsinger（當(dāng)時(shí)還是副總裁）就在力推硅光子技術(shù)，并且認(rèn)為硅光子在未來(lái)一定會(huì)成為主流技術(shù)。憑借Intel在硅光子工藝和封裝技術(shù)領(lǐng)域的積累，我們認(rèn)為未來(lái)Intel也將會(huì)成為該領(lǐng)域的有力競(jìng)爭(zhēng)者。
總而言之，我們認(rèn)為在未來(lái)，硅光子的主要技術(shù)演進(jìn)將集中在更高集成度，以及和CMOS芯片的封裝上面，而先進(jìn)的硅光子制造工藝以及封裝技術(shù)將會(huì)成為硅光子技術(shù)演進(jìn)的核心技術(shù)支撐。
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