下一代光互联亟待的技术

随着人工智能工作负载的增长，在服务器、交换机和处理器之间移动数据在带宽、功耗、延迟和成本方面正成为一个重大挑战。

射频硅中介层技术融合了多种半导体技术的优势。通过异质集成CMOS、BiCMOS和III-V族芯片，它既实现了经济高效的制造，又满足了下一代光互连和超高带宽系统所需的高频性能。早期设计评估表明，射频硅中介层技术可以在不牺牲功能的情况下，将 III-V 芯片面积减少 3 倍以上。

这项技术的应用范围远不止人工智能数据中心。同样的技术还可以支持高频雷达和下一代卫星通信系统。

“这正是英伟达的黄仁勋目前所需要的。 ”这是TechRadar在imec发布其 最新的射频硅中介层技术后做出的评价。这一评价意义重大，同时也指出了超大规模数据中心和更广泛的人工智能生态系统面临的一个更为严峻的挑战：如何在合理的功耗、成本和部署限制下，以越来越高的速度传输日益增长的数据量。

imec高级射频技术产品组合总监Joris Van Driessche表示：“尤其是在数据中心，激增的数据流量和人工智能工作负载给基础设施带来的压力正在迅速增加。这种压力在互连技术方面体现得尤为明显。长期以来，电气互连一直是交换机、路由器和服务器之间数据传输的支柱。然而，在更长的传输距离和更高的通道速率下，其功耗会急剧上升，散热限制会加剧，信号完整性也会下降。”

正因如此，业界正在加速向光互连技术转型。光互连使用光信号而非电信号，能够实现更快、更远、更高效的数据传输。但随着人工智能基础设施向每秒数太比特的接口发展，光互连也面临着新的挑战，这些接口必须兼顾超高的能效和极低的延迟（亚微秒级）。

这些是超大规模数据中心运营商和更广泛的人工智能生态系统面临的需求。满足这些需求需要组件能够在远超 100 GHz 的频率下运行。

向更高频率的转变带来了一个根本性的难题。传统的硅CMOS技术虽然具有大规模生产的成本优势，但在超过100 GHz的频率下性能却明显不足。相比之下，磷化铟（InP）和氮化镓（GaN）等III-V族材料虽然能够提供更高的增益、输出功率和效率，但其大规模生产仍然更加困难且成本更高。

“早期设计评估表明，imec 的射频硅中介层技术可以在不牺牲功能的前提下，将 III-V 芯片面积减少三倍以上。”

Joris Van Driessche：“对于光互连构建模块，例如驱动器和跨阻放大器 (TIA)，还有第三种竞争者：BiCMOS 技术——一种结合了 CMOS 可扩展性和双极型晶体管速度的半导体平台。BiCMOS 无需依赖 III-V 族材料即可提供所需的带宽和性能，但它仍然面临着如何在连接这些驱动器和 TIA 与系统数字信号处理器和光子集成电路的互连线上保持这种性能的挑战。”

他解释说，解决方案在于优势互补。“与其采用 III-V 或 BiCMOS 技术构建整个系统，不如仅在对性能要求极高的功能中使用紧凑型 III-V 或 BiCMOS 芯片，因为这些芯片的优势足以抵消额外的成本。然后，将这些芯片异质集成到射频硅中介层上，该中介层承载着其余的无源器件，并可在高达 325 GHz 的频率下提供超低损耗互连。”

“这种方法与超大规模数据中心和更广泛的生态系统产生了强烈的共鸣，”范·德里舍说道。“他们认识到 III-V 族和 BiCMOS 工艺能够提供卓越的射频性能。因此，下一个问题是经济效益如何。射频硅中介层技术在组件层面可能并非成本最低的选择，但随着系统变得越来越复杂，它有可能显著降低总体成本、缩小尺寸并降低集成复杂性。”

早期设计评估支持这一潜力，表明imec的射频硅中介层技术可在不牺牲功能的前提下，将III-V族芯片面积缩小三倍以上，同时还能提升射频性能。这得益于更精细的芯片间距（倒装芯片）集成，以及将无源元件转移到中介层上。目前，imec正与行业合作伙伴开展合作，旨在通过未来的概念验证演示，验证这些预测并量化由此带来的系统级效益。

虽然数据中心基础设施是射频硅中介层技术最引人注目的应用之一，但它的潜力远远超出了这个领域。

用于航空航天、安防和汽车领域的高性能雷达系统面临着许多相同的挑战。随着雷达向更高频率发展以实现更精细的探测分辨率，并需要保持远距离探测能力，这就要求发射机技术能够提供高输出功率和高效率，同时接收机也必须具有极低的噪声系数。

下一代卫星通信系统也面临着类似的挑战——随着它们向更高频段（Ka波段、Q/V波段及更高频段）迁移以支持不断增长的数据速率，这些挑战同样存在。

在这些案例中，III-V族半导体材料提供了在严苛条件下运行所需的射频性能，而射频硅中介层技术则实现了它们在紧凑、可扩展和可制造系统中的异构集成，从而为大规模部署提供了清晰的路径。

Imec 逐步将其 300 毫米射频硅中介层技术发展成为用于在 Si-CMOS 上异构集成 III-V 芯片的系统级平台——其最新进展包括高密度嵌入式电容器、用于无源元件的可扩展建模框架以及用于 III-V 芯片组装的激光辅助键合。

Joris Van Driessche：“目前的重点是提高平台的技术成熟度，并建立支持小批量生产所需的设计流程、被动组件模型、热管理解决方案和可靠性数据。”

他总结道：“ imec 的 IC-Link 能力是一项关键的差异化 优势，它提供了一条从原型设计到小批量生产的途径。随着行业关注点从孤立的概念验证转向可部署的解决方案，这种制造支持将在加速下一代超高带宽系统的商业化方面发挥越来越重要的作用。”

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