Intel公開整合光子研究重大進展，晶片互連與網路通訊頻寬可望提升

英特爾（Intel）實驗室宣布在整合光子研究取得重大進展，這是提升資料中心運算晶片之間以及整體網路通訊頻寬的下個技術疆界。

最新研究以領先業界步伐的多波長整合光學為其特色，包含展示一款全面整合至矽晶圓的 8 波長分散式回饋（DFB）雷射陣列，提供十分良好的 ±0.25 分貝（dB）輸出功率均一性，以及超越業界規範的 ±6.5％ 波長間距均一性。

英特爾實驗室資深技術總監榮海生博士指出，這項新研究展示出達成良好的匹配輸出功率的可能性，以及均一且高密度的波長間距。更重要的是，它可以透過英特爾晶圓廠現有的製造與製程控制來完成，為下一代共同封裝光學和光學運算互連的大量生產製造提供一個清晰的方向。

此項進展能夠製造出具備未來大量應用所需效能的光源，例如針對人工智慧（AI）和機器學習（ML）等新興網路密集工作負載的共同封裝光學和光學運算互連。該雷射陣列以英特爾的300毫米矽光子製程製造，並為未來大規模生產製造和廣泛部署做好準備。

▲ 通道混合三五族矽晶片分散式回饋雷射陣列的示意圖。這項創新藉由匹配的功率和均一的間距，展現出在大量生產的工廠當中，其雷射製造能力的重大進展。

Gartner 預估，矽光子佔據所有高頻寬資料中心通訊頻道的比例，將從 2020 年不到 5％ 提升至 2025 年的 20％ 以上，整體潛在市場規模達 26 億美元。低功耗、高頻寬和更高速的資料傳輸需求正在不斷成長，驅動著矽光子的需求，以便支援資料中心與其它更進一步的應用。

光連接從 1980 年代開始取代銅線，這是因為透過光纖進行的光傳輸提供高頻寬的固有特性，有別於透過金屬線進行的電脈衝傳輸。從那時起，隨著零組件尺寸和成本的降低，該技術變得更加有效率，帶領使用光學互連的網路解決方案在過去幾年取得突破性進展，一般而言此情況發生在交換器、資料中心，以及其它高效能運算環境之中。

隨著逐漸逼近電氣互連效能限制，在同一封裝整合緊鄰的晶片電路和光學元件，能夠提升能源效率同時達成更遠的連接距離，確保輸入／輸出（I/O）介面的未來。這些光子技術是透過英特爾工廠中現有的製程技術所達成，享有大規模製造利於成本下降的優勢。

近期使用高密度波長分波多工（DWDM）技術的共同封裝光學解決方案，已印證提升頻寬的同時，還能夠大幅度縮減光學晶片的物理尺寸。然而直到現在，製造具備波長間距均一性與功耗的 DWDM 光源仍十分困難。

這項新突破確保了光源具備一致的波長分離，並維持均一的輸出功率，進而滿足光學運算互連和 DWDM 通訊的要求之一。使用光學互連的次世代運算 I/O，能夠為將來的高頻寬 AI 和 ML 工作負載的極端需求量身打造。

▲ 8 微環調變器和光波導的示意圖。每個微環調變器調整至特定波長（光的「顏色」）。透過使用多個波長，每個微環能夠單獨調變光並完成獨立通訊。這種使用多個波長的方法稱之為波長分波多工。

這款 8 波長 DFB 陣列採用英特爾的商用 300mm 混合（hybrid）矽光子平台進行設計與製造，該平台亦被用來製造量產光學收發器。這項創新是大量生產互補式金屬氧化物半導體（CMOS）的工廠當中，其雷射製造能力的重大進展，並使用與製造 300mm 矽晶圓相同的微影技術以及嚴格的製程控制。

在這項研究之中，英特爾於三五族晶圓接合製程之前，使用先進的微影技術在矽當中定義波導光柵（waveguide grating）；與 3 吋或是 4 吋三五族晶圓工廠製造的傳統半導體雷射相比，這項技術達成更好的波長均一性。此外由於緊密地整合雷射，該陣列在環境溫度變化時也能夠維持其通道間距。

身為矽光子技術的先驅，英特爾致力於開發解決方案，滿足網路基礎建設日益成長的更高效率、更豐富資源等需求。開發中的核心技術構件包含光的產生、放大、檢測、調變、CMOS 介面電路，以及封裝整合技術。

此外，作為未來的光學運算互連小晶片（chiplet）產品的一部份，8 波長整合雷射陣列技術的許多方面正由英特爾矽光子產品部門實作當中。即將推出的產品可在 CPU、GPU 和記憶體等各種運算資源之間，提供具能源效率、高效能的多 Tb/s 互連。整合雷射陣列是欲達成緊湊且具成本效益的解決方案，抑是支援大量生產製造與部署不可或缺的一環。