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5GDC新基建白皮书之《面向数据中心光互联的硅光芯片技能》---杠杠滴!
更新日期:2021-11-26 03:33:34 来源:环球体育官方网站登录

  5G&DC新基建白皮书之《面向数据中心光互联的硅光芯片技能》全新上线,光纤在线讯,跟着网络技能的飞速开展,“大智移云”(大数据、智能化、移动互联网和云核算)年代的降临,无人驾驶与智能机器人的鼓起,以及空六合一体化信息整合脚步的加快,光电技能现已掩盖信息发生、获取、传输、交流与处理等各个环节,并经过深度交融发生各种新的运用范畴,出现“井喷式”的开展态势。

  未来数据中心面对的最大应战之一是许多的数据需求被存储、传输和处理。此外,跟着多核处理器、内存需求和输入/输出(I/O)带宽需求的继续添加导致了网络拥塞和衔接瓶颈。跟着带宽的添加,功耗也急剧添加,数量传输数据所需的能量约束体系功用。作为下一代互连技能强有力的竞赛者,光互连具有宽频带、抗电磁干扰、强保密性、低传输损耗、小功耗等显着优于电互连的特征,是一种极具潜力的电互连代替或弥补计划。一起可以充沛运用波分复用(WDM)技能,尤其是经过加持硅光(SiPh)集成芯片技能来发挥光互连带宽优势,完结高速、海量信息传输。现在,集成电路沿着摩尔定律开展已趋于极限,硅基光电子集成技能运用老练的微电子互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺设备,在绝缘体上硅(SOI)上制作用于光通讯、光互连和光信号处理的光电子器材和芯片,可完结低本钱、批量化出产。硅光集成产品将集成光学器材与电子元器材组合至一个独立的微芯片之中,其间心是‘以光代电’、光电交融,用激光束代替电子信号传输数据,以进步路由器和交流机线卡/板卡之间芯片与芯片之间的衔接速度,可以满意数据中心对更低本钱、更高集成度、更多嵌入式功用、更高互连密度、更低功耗和更高可靠性的开展需求,具有高集成度、超高速率、超低功耗优势,在光纤到户、数据通讯、5G无线、激光雷达、量子通讯等超高速、大容量通讯及运用范畴具有宽广的开展空间。

  尽管近年来硅光子商场前景看好,但在资料、工艺和规划上仍然面对一系列应战。依照硅光集成运用的资料体系分类,光电集成可以分类为单片同质集成与异质集成。在单片同质集成方面,例如依据硅基资料构建光电集成芯片、依据磷化铟资料的滤波器集成等。而且,异质集成可以发挥各种资料的优势,进步各功用器材的功用。依据是否进行异质资料成长,异质集成可分为单片异质集成与混合异质集成。经过外延成长在硅基衬底上可以制备大规划集成的单片III-V族-硅基激光器,以及单片III-V族-硅基量子点激光器阵列。混合集成的优势在于避免了不同资料间的晶格失配,工艺相对简略,可是集成度较低。其要害工艺技能是运用光子引线键合技能、分子晶圆键合技能、硅通孔技能进行光互联与电互联完结光电混合集成。

  关于单片同质集成,较为老练的资料体系为硅基资料和磷化铟资料。其间,硅基资料难以集成光源等有源器材,磷化铟资料本钱较高,难以大规划集成。混合异质集成首要面对的是完结高效光耦合与电路-光路接口的封装问题和由驱动电路带来的散热问题。单片异质集成是完结光电一体的大规划集成的要害技能途径,其避免了混合集成带来的封装问题;但单片异质集成现在有3个问题:多资料的兼容问题、由集成度进步带来的光路-电路的检测问题,以及芯片的散热问题。

  2019年全球半导体芯片商场规划超越4000亿美元,其间光电子器材规划超越400亿美元。光电子芯片是近两年来增速最快的范畴,年复合增加率超越30%,光芯片出资是当下半导体出资的“大风口”!

  什么是硅光集成技能?硅光芯片工业动态?技能立异方向是什么?硅光芯片的出资热门在哪儿?硅光芯片的Chiplet、FO-WLP、SoC/SiP、COP、2.5D、3D、MEMs、SOI、TSV等先进集成封装技能的原理是什么?

  曩昔的半个多世纪,半导体职业一向遵从着摩尔定律的轨道高速开展,但近年来,跟着制程不断向前演进,技能晋级的空间变小,本钱的极具添加,单纯依托进步工艺来进步芯片功用的办法现已无法充沛满意年代的需求,摩尔定律显得“无能为力”,半导体职业逐渐进入后摩尔年代。

  摩尔定律尽管放缓,科技进步的速度变得难以预测,但集成电路仍然不行代替,重视后摩尔年代潜在推翻性技能,有几方面含义。

  一是有观念认为这样的推翻式技能可以为“摩尔定律”续命,坚持集成电路继续向前快速开展,让科技进步从头找回“节奏感”。

  当时,半导体工业技能立异密布而活泼,提早对这些潜在技能进行布局,无论是对企业仍是对工业而言,有助于在变革年代把握主动权。

  但一起应该看到,以美国为首的西方国家,一直对我国半导体工业开展进行镇压,这种状况在一向以来的《瓦森纳公约》中关于光刻机的控制,关于大硅片技能的约束,近年来关于中兴、华为、晋华等我国企业的制裁上表现得更为显着。

  “后摩尔年代”的降临,既是对整个我国半导体职业开展的应战,但也可以说是一种时机,假如可以加强“后摩尔年代”集成电路潜在推翻性技能的研制和提早布局,则可以捉住“弯道超车”的时机,完结我国集成电路工业开展的包围。“趋缓的摩尔定律给追逐者时机。”近来,我国工程院院士吴汉明在“先进集成电路技能与工业立异”论坛上讲话时指出。

  三是现在美国、韩国、日本、欧盟等国家和地区都开端在半导体范畴进行巨额投入,这其间就包括潜在推翻性技能。

  本年恰逢“十四五”的局面之年,“02专项”也在上一年完毕,因而,无论是对国家本身的半导体工业开展,仍是考虑到未来国家间的高科技范畴竞赛,关于“后摩尔年代”潜在的推翻性技能进行提早布局十分必要。

  归纳现在的职业观点,后摩尔年代的立异与潜在的“推翻性技能”包括四方面内容:特征工艺、新资料、新架构、先进封装,现在在这些范畴我国都有潜在可以取得打破的时机。

  环绕新资料和新架构的推翻性技能将成为“后摩尔年代”集成电路工业的首要挑选。现在,九成半导体器材由硅制作,硅资料具有集成度高、稳定性好、功耗低、本钱低一级长处。但在后摩尔年代,除了更高集成度的开展方向之外,经过不同资料在集成电路上完结更优质的功用是开展方向之一。此外,以RISC-V为代表的敞开指令集将替代传统芯片规划形式,更高效应对快速迭代、定制化与碎片化的芯片需求。

  在新资料方面,经过全新物理机制完结全新的逻辑、存储及互联概念和器材,推进半导体工业的改造。例如,拓扑绝缘体、二维超导资料等可以完结无损耗的电子和自旋输运,可以成为全新的高功用逻辑和互联器材的根底;新式磁性资料和新式阻变资料可以带来高功用磁性存储器如MRAM和阻变存储器,三代化合物半导体资料、绝缘资料、高分子资料等根底资料的技能也在孕育打破。

  一起,跟着5G、新能源轿车等工业的开展,对高频、高功率、高压的半导体需求,硅基半导体因为资料特性难以彻底满意,以GaAs、GaN、SiC为代表的第二代和第三代半导体迎来开展要害。

  在新架构方面,以RISC-V为代表的敞开指令集及其相应的开源SoC芯片规划、高档笼统硬件描绘语言和依据IP的模板化芯片规划办法,将替代传统芯片规划形式,更高效应对快速迭代、定制化与碎片化的芯片需求。相似脑神经结构的存内核算架构将数据存储单元和核算单元交融为一体,能明显削减数据转移,极大地进步核算并行度和能效。核算存储一体化在硬件架构方面的改造,将打破AI算力瓶颈。

  跟着先进制程的不断向前演进,芯片制作工艺正变得复杂而且贵重。在运用多元化的今日,要求愈加灵敏和多样的集成办法,这需求从曾经的二维平面向三维立体进行拓宽,将不同功用的芯片和元器材整合封装,完结异构集成。依据Chiplet(芯粒)的模块化规划办法将完结异构集成,被认为是增强功用及下降本钱的可行办法,有望成为连续摩尔定律的新途径。Chiplet形式能满意现在高效能运算处理器的需求,具有规划弹性、本钱节约、加快上市三大优势。

  异构集成的要害在于把握先进封装技能,具有下降芯片规划难度、制作快捷快速和下降本钱等优势。SiP等先进封装技能是Chiplet形式的重要完结根底,Chiplet形式的鼓起有望驱动先进封装商场快速开展。

  先进封装之所以可以成为继续优化芯片功用和本钱的要害立异途径,首要在于以下两点:

  一是小型化:经过单个封装体内屡次堆叠,完结了存储容量的倍增,然后进步芯片面积与封装面积的比值。

  二是高集成:以体系级封装SiP完结数字和非数字功用、硅和非硅资料和器材、CMOS和非CMOS电路等光电、MEMS、生物芯片等集成在一个封装内,完结子体系或体系。

  得益于对更高集成度的广泛需求,以及5G、消费电子、物联网、人工智能和高功用核算HPC等大趋势的推进,业界需求依托先进封装来对冲芯片制作端的阻力,先进封装被要点重视!现在,先进封装的重要性已成为职业一致,为抢占技能高地,全球首要封测厂、晶圆厂、IDM都在赶紧布局先进封装。

  “后摩尔年代”封装技能现已不再单纯地只以线宽、线距和集成度来衡量,而是更多地考虑怎么进步体系功用以及进步整个体系的集成度,封装测验环节在整个工业链中的立异才能和价值越来越高。

  在“后摩尔年代”,跟着寻求高精度制程工艺的节奏放缓,把握老练特征工艺的芯片制作商会首要获益,可以凭借着产能优势、区位优势、服务优势、本钱优势,来不断拓宽商场,并进步本身的技能水平,向更具有竞赛力的范畴延伸。职业人士指出,特征工艺一般来说不会过度寻求制程的精度,以重视工艺老练度、高性价比为中心,但相应产品的商场空间会长期存在,而且还会跟着下流工业的开展而增加。老练工艺首要表现在8寸片和功率半导体范畴。功率半导体许多工艺渠道首要在8寸,而且8寸和12寸工艺上不同不大,从线nm,只要做到功率IC才会往65nm线宽去开展。这意味着国内绝大多数半导体设备和资料公司都可以为功率半导体产线供给设备和资料,然后最大极限的处理了卡脖子瓶颈问题,这是功率半导体开展的根底。一起跟着国内新势力造车,以及我国的人口优势,在未来新能源轿车浸透率逐年进步的职业布景下,国内功率半导体公司将迎来黄金开展期。

  从商场的视点,现在在先进制程方面,10nm以下产能仅占17%,而83%的商场是10nm以上节点。最近一年的缺芯事情也阐明了如28nm、40nm等老练制程的芯片产品仍有巨大的商场空间。

  从实际动身,完本钱土可控的55nm芯片制作,或许比彻底进口7nm产品更有含义。假如可以运用老练工艺,结合新资料的运用进步芯片功用,将是后摩尔年代本乡半导体工业的重要开展时机。

  此外,如射频范畴的特征工艺制作,也是我国或许完结打破的范畴。射频前端器材一般运用老练制程,不跟从摩尔定律迭代。射频前端器材对GaAs\GaN等新资料、新工艺的需求远胜于对先进制程的需求。射频前端器材关于移动通讯含义巨大、商场宽广,在后摩尔定律年代,有利于我国追逐、反超世界先进水平。

  在现在“大国博弈”的半导体职业处于大变局的当下,提早完结关于“潜在推翻性技能”的布局,有助于保持集成电路工业继续向前开展,有助于我国集成电路工业打破约束和封闭,完结科技自立自主、弯道超车,也有助于更好应对未来在高科技范畴的全球竞赛。

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