IBM完成CMOS硅光制程大突破 可实现百万兆次运算

【导读】最近，IBM是在日本千叶幕张所举办的Semicon Japan展会中，公布名为CMOS整合硅纳米光电（CMOS Integrated Silicon Nanophotonics；CISN）的技术，以及首先应用的光学收发器样品。这个光学收发器模块将光调变器、光波导组件、波长多任务器、光交换器和光侦测组件，整合在单一CMOS芯片中，预计在2011年可进入商业化阶段。

最近，IBM是在日本千叶幕张所举办的Semicon Japan展会中，公布名为CMOS整合硅纳米光电（CMOS Integrated Silicon Nanophotonics；CISN）的技术，以及首先应用的光学收发器样品。这个光学收发器模块将光调变器、光波导组件、波长多任务器、光交换器和光侦测组件，整合在单一CMOS芯片中，预计在2011年可进入商业化阶段。

该技术是以既有的CMOS制程为基础，以可用光脉冲加速数据传输的硅纳米光电技术。可以预测，在不久的将来，这项技术将可全面取代目前芯片之间传输容量较低的铜线设计，让芯片与芯片的传输速率突破百万兆次（million trillion；exaflop）数学运算等级，进而提高超级计算机的运算能力达1000倍以上，百万兆级系统（exascale system）已经不是梦！

这事IBM在纳米光电（nanophotonics）技术上的又一重大突破。据了解，IBM开发纳米光电技术已经有一段时间。CISN技术最大的突破在于，可以既有CMOS制程和标准硅芯片生产线来落实，并不需要其它额外的设计工具或制程，突破了硅光（silicon photonics）组件技术的瓶颈，并大幅降低硅光模块的成本价格，更加速了纳米光电技术的商业化进程。

以往的光学组件多半是采用砷化镓或是磷化铟等材料，硅材料虽然是价格较低廉的另外选择，不过往往会产生光传输效能不彰的问题，特别是在射极组件部份，因此射极组件多半采用三五族化合物材料。这也是为什么，IBM推出CISN技术为基础的光学收发器样品中，硅材料的射极组件尚未整合在内的原因。不过CISN技术已经可以将大部分光学组件转换为硅材料和CMOS晶圆制程，就是相当重要的突破。

目前IBM所展示的样品是采用130奈米CMOS制程，不过IBM期待不久后便能进入100奈米以下的CMOS制程阶段。这是IBM在CISN制程技术的另一项突破，把锗（germanium）层埋在CMOS堆栈层的底部。IBM宣称这样的设计可让芯片尺寸缩减到1/10，让65纳米CMOS制程芯片上的奈米光电组件尺寸，进一步缩小到1公厘平方面积的一半而已。

现在IBM强调的是CISN技术可进入CMOS晶圆制程阶段，首批光学收发器产品预计可在明年进入商业化进程。对于CISN技术的应用发展蓝图，IBM规划先从服务器和超级计算机之间的传输开始，按部就班地过渡到同一系统内板子之间的传输阶段，然后进入到同一基板内芯片之间的传输阶段。更为长期的目标规划，是把CISN技术渗透到晶体管内部之间也采用奈米光电技术的最终阶段。

藉由提高光电传输频宽和晶体管整合密度，IBM预估这项CISN技术为基础的CMOS硅光组件，10年内可让超级计算机在10年内进入百万兆级运算（exascale computing）等级。目前运算能力最快的超级计算机，数学运算速度在每秒2000兆次（2 petaflops；2000 trillion）等级。现在的超级计算机虽然已经采用光学技术作为芯片之间传输的基础，不过传输速度只能在rack-level阶段，且只能藉由单一光波长来传输。IBM的硅光模块可采取多信道设计，整合于单一基板上，支持多个同时并行的光波长传输。

未来以CISN技术为基础所设计的硅光组件，可将电子和光学收发模块整合在单一芯片上，取代传输容量较低的铜线，让CMOS晶体管所产生的电子讯号，转换成光的脉冲，进而大幅加速芯片之间的传输速度。

除了IBM之外，英特尔和Luxtera也同样正在开发硅纳米光电技术的微型化制程。英特尔也公布自己整合光学和雷射组件的光收发器样品，同样是采用4信道设计，个别信道每秒传输速率为12.5Gb/s。不过这项技术仍处于实验室阶段，英特尔还没有公布商业化进程时间表。英特尔的光收发器虽是以硅材料为基础，但也有添加磷化铟材料在内。

另一方面，Luxtera已经先开发出硅光组件收发器，可藉由4个多通道，个别传输每秒100亿位、也就是10Gb的数据量，Luxtera也公布了每信道可传输25Gb数据量的硅光组件收发器设计。Luxtera认为，采用传统的光学材料，也是可以达到技术上和成本上的优势，相关产品也即将进入商业化阶段。