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IBM消除硅微米光子,美利哥IBM集团分娩100Gb

2020-03-23 16:40栏目:帮助中心
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[据今日半导体网站2015年5月15日报道] 美国IBM公司已经设计和测试了第一个完全集成波分复用硅光学芯片,这将很快用于制造100Gb/s光收发器。IBM公司高级副总裁Arvind Krishna说,“广泛商业应用的硅光学技术将有助于半导体行业与大数据和云服务驱动的不断增长的计算能力需求保持同步。该技术目的是使未来计算系统更快更节能”。

[据化合物半导体网站2015年5月13日报道] IBM公司日前已开发出“全集成波长多路复用硅光电芯片”,该公司表示,100Gbps光收发器制造能力也将很快形成。

科研实力无比雄厚的IBM今天宣布在光信号取代电信号进行信息传输方面取得重大突破。经过十多年的研发,硅纳米光子(Silicon Nanophotonics)终于利用100nm以下工艺,在单颗硅芯片内同时整合了多种不同的光学部件和电子电路,为投入商用铺平了最后的道路。

采用IBM CMOS集成纳米光学技术制造晶圆,晶圆切割后的盒装数百个芯片用于100Gb/s收发器。硅光子学的光学元件可以在服务器、大型数据中心和超级计算机之间的高速计算机芯片间传输大量数据,克服拥挤数据流量和高成本传统互连限制。IBM使用100nm半导体技术的新进展可以将不同光学元件与电路并排集成在单一硅芯片上。

该芯片是15年来硅光电技术研究的成果,利用四路独立25Gbps激光通道,验证了发射和接收高速数据的可行性。其设计目标是实现两千米范围内的数据中心互联能力。

硅纳米光子主要利用光脉冲进行通信,能以超快的速度传输超大容量数据,非常适合服务器、数据中心、超级计算机等高性能计算领域,解决传统互连方式的带宽瓶颈和高成本难题。

硅光学芯片采用光纤内4种波长光在计算系统内和周边传输数据。据估计新的收发器只需2秒下载一个全高清数字电影。IBM认为科学技术正在进入一个计算新时代,需要IT系统和云计算服务器处理和分析数据中心,特别是云计算服务器之间的大量实时数据。这要求数据在系统构件之间无阻塞快速移动。硅光子学大大降低系统内和计算构件之间的数据瓶颈,提高响应时间。

IBM硅光项目组的管理人员威尔·格林表示:“进行调制的激光是从芯片外部引入的,但最终我们希望能够在芯片上集成以三四族元素材料为基础的激光器。”

IBM对光互连技术的研究已经持续了十多年,并在2010年提出了CMOS集成硅纳米光子的概念,实现了光互连技术的重大突破。现在,IBM又解决了将此技术投入商用的最关键障碍。

大多数光学互连数据中心内使用的解决方案是目前基于垂直腔面发射激光器技术,其中光信号通过多模光纤传输。通过云服务增加端口之间距离和数据速率的需求,正在推动有成本效益的单模光互连技术的发展,克服多模VCSEL链接固有的带宽-距离限制。

大多数今天应用在数据中心的光互连方案都基于垂直腔面发射激光器技术,其中的光信号通过多模光纤进行传输。

IBM通过在高性能90nm CMOS制造工艺中增加一个新的处理模块,波分复用(WDM)、调节器、光电探测器等多种不同的硅纳米光子元件都与CMOS电子电路整合在了一起。这样一来,就可以在传统半导体晶圆厂内利用标准工艺制造单芯片的光学互连收发器了,比传统思路可以大大节约成本。

IBM认为,将单片光收发器的基本光学和电子元件集成到单一硅芯片,其CMOS集成纳米光子学技术可以提供具有成本效益的解决方案来扩展光链路的数据速率。同时,制造业利用硅芯片代工线的标准制造工艺,促使该技术向商业化发展。

由于云服务等需求,要求提高端口之间的传输距离和传输速率,促进了具有成本效益的单模光互连技术的发展,因为这种技术能够克服多模垂直腔面发射激光器的有限带宽和传输距离。

对于另一家行业巨头Intel提出的质疑,IBM的新突破也做出了有力的回击,不会出现Intel担心的制造技术复杂化问题。

纽约、苏黎世、瑞士和IBM系统集团的IBM工程师已经验证了距离达2km数据中心互连的参考设计。该芯片使用4种激光频率传输和接收高速数据,每一个在独立的25Gb/s光信道运行。通过完全收发器设计,这4个信道通过双工单模光纤波分复用传输100GB/s的总带宽,使数据中心的安装纤维装置成本最小化。

IBM公司表示,其CMOS集成纳米光电技术提高了光连接的传输范围和速率,是一种经济可行的方案。光收发器的主要组成部分包括电路和光路,能够实现单片集成,并可采用标准硅芯片工艺制造。

这就是IBM 90nm硅纳米光子的结构示意图,立方体上左侧红块是光电探测器,右侧蓝色区域是调节器,而右侧远处边缘的红点是硅晶体管。硅纳米光子电路和硅晶体管通过九层金属线(黄色的)互连在一起。

在2015年5月10-15日加州圣何塞举行的激光器和光电器件会议上,IBM在 “CMOS单片集成纳米光子发射机的32GB / s无误差运行验证” 特邀报告中介绍了工作细节。

IBM公司是在2015年的激光和电光会议上发布的论文,题目为《最高32Gbps的CMOS单片集成纳米光电收发器的无差错工作验证》,并于其中公布了上述研发细节。

IBM表示,他们测试发现收发器每个通道的数据传输率已经超过了25Gbps,而且通过使用紧凑的片上WDM设备,可以将多个并行的光学数据流放在单个光纤内,实现多通道传输,未来可以在远距离计算系统之间轻松传输TB级别的数据。

当然我们也可以看出,IBM的这项技术更严格来说是光与电的结合,光子只是部分取代了电子,而要想实现科幻小说中纯粹的光子计算机,还有极其漫长的路要走。

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