《炬丰科技-半导体工艺》利用microLED显示技术缓解芯片间通信瓶颈
书籍：《炬丰科技-半导体工艺》
文章：自选择性化学镀
编号：JFKJ-21-1016
作者：炬丰科技
基于氮化镓的微透镜显示器产生的高速光发射器可以以更高的密度传输数据比铜更低的功率，带来厘米级的光学连接。芯片时钟速率几乎没有增加，也有限制。这取决于集成电路封装输入和输出引脚的数量。因此，几乎所有的高性能芯片都使用高速串行器/反串行器，即SerDes–用于芯片外围的输入/输出。它们的作用是与片内时钟速度相比大幅提高比特率，以便所有信息都可以通过有限数量的引脚压缩。这耗费了能源、房地产，并阻塞了数据流——随着未来系统的进步主要通过新的架构实现，这种情况只会变得更糟，新架构将更多芯片互连在一起，而不是提高原始晶体管的性能。
当线路较长时，需要通过其电阻充放电更多的电容。增加密度也是一个问题——使导线变得更细、更紧密会增加电阻和电容，从而降低最大互连长度。串扰、导致波形失真的材料介电常数的非线性，以及导致高频电阻增加的趋肤效应。
通过将芯片封装在线密度高得多的硅插入物上，电数据管道可以连接到非常宽的总线上，并以接近芯片时钟的速度运行。然而，由于上述原因，高密度限制了覆盖范围，芯片通常必须边对边放置。常见的做法是将高带宽内存芯片封装在处理器附近，并通过一条总线进行通信，该总线通常约为1000条通道宽，运行速度仅为1或2千兆位/秒。BoW总线都是宽而慢的，有数百或数千条通道，每条通道的运行速度为1千兆比特/秒至16千兆比特/秒。
使用可见光的一个显著优点是，它允许制造低电容、大面积的互补金属氧化物半导体探测器，这些探测器可以与简单的放大器电路集成，形成快速、极低功率的接收器。由于探测器面积大，对准简单，同时封装成本低。
在芯片之间移动光线有几种选择。这可以通过在内插器上单片制造波导或者通过各种多芯和成像光纤来实现。高密度多芯光纤的使用已广为人知，几十年来一直用于成像应用，并用于管道镜、医疗内窥镜和其他“显示”应用。
使用优化的CROMEs和CMOS兼容光电探测器在可见光谱下工作，这些光电探测器与放大器集成，几乎消除了所有电容。图2显示了我们的“LightBundle”方法的框图，以及单通道的细节。每个通道由一个光发射器、一个纤芯(或波导)和一个接收器组成。CROME发射器由简单的驱动电路供电，在20 A和500 A之间驱动，并与波导管光学耦合。
图4显示了一些CROME实验结果。在极低的电流密度下，3dB带宽达到约2千兆赫(或开关调制约为4千兆比特/秒)。在几十微安的驱动电流下，可以实现良好的链路性能。这使得每比特的功耗远低于使用蓝光进行数据传输在接收器端。硅几乎是检测蓝光的理想材料，吸收长度仅为0.2 m.。这使得集成光电二极管的接收器的CMOS兼容制造成为可能。这些寄生电容极低(小于10 fF)的光电二极管允许使用创新、简化的跨阻放大器设计，使接收器功耗低于50 fJ/bit。这种低功率对于“典型接收机”来说是不可能的，因为它受到高得多的电容和更大的复杂性的限制。
这种检测器结构可以通过使用互补金属氧化物半导体晶体管的源极和漏极注入/扩散来制造横向p-i-n二极管来制造。我们的八元件阵列用于图4的多通道测量，显示带宽超过6千兆赫(见图5)。阴影笼罩着探测器上的手指和薄SOI衬底将量子效率限制在大约50%，但是在优化的器件中应该可以实现超过90%的量子效率。
我们链路的光接口由大量使用的各种技术构成。在不同的应用中。从制造的角度来看，CROME阵列可以被认为是非常小的GaN微LED显示器。正如普通读者所知，氮化镓被大量制造用于固态照明和功率器件，并且对于显示器变得越来越重要。这种设备的生产由一个支持大批量、低成本制造的庞大生态系统支撑。总的来说，氮化镓是一种比其他ⅲ-ⅴ族化合物(如GaAs和磷化铟)更可靠、更坚固的材料体系。由于其优异的高温性能和对缺陷的不敏感性。与其他ⅲ-ⅴ族化合物制成的器件不同，氮化镓制成的器件可以在高温下工作，例如150℃，故障率极低。
我们能够利用照明和显示行业中使用的现有大批量制造工艺进行大规模转移从蓝宝石源晶片到包含收发器电路的目标硅CMOS驱动器晶片的数千到数百万个CROMEs。我们的收发器电路和光电二极管采用标准CMOS制造。由于适度的链接速度，我们可以使用较旧的流程节点。对于耦合，我们可以使用聚合物微光学器件，类似于智能手机摄像头。
通过利用所有这些高容量技术，我们估计这些Tbit/s宽并行氮化镓基链路的成本比其他高速串行链路低一到两个数量级光链路技术，例如可插拔光收发器、板载光学器件，甚至是面向数据中心和计算环境的硅光子学联合封装光学器件。尽管我们的技术是多模式的，并且限制在10 m范围内，但它显然有望在提高计算系统的性能方面发挥重要作用。
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