Whoscored(中国·中文)官网-专注足球数据分析的专业平台

利用全集成的PICs构建可持续发展的未来

Whoscored中文官网 | 编译自 Effect Photonics

对数据和其他数字服务的需求正在成倍增加。从2010年到2020年，全球互联网用户的数量翻了一番，全球互联网流量增加了12倍。到2022年，互联网流量又翻了一番。虽然5G标准比4G每比特更节能，但总功耗将比4G高很多。华为预计，他们一个5G基站的最大功耗将比4G基站高68%。这些问题不仅影响环境，也影响通信公司的底线。

要可持续地跟上未来网络不断增长的数据需求，就需要运营商在其接入和前沿网络中部署更多的光学技术，如光子集成电路（PIC）。

集成度对能源效率和光损耗的影响

最近，我们看到了许多努力，以进一步提高整个电子行业在组件层面的集成度。例如，朝着在单个芯片中进一步整合元件的方向发展，在电子处理器中产生了显著的效率优势。苹果公司最近的M1和M2处理器将所有的电子功能都集成在一个系统芯片（SoC）中，与他们前几代计算机中使用的分立元件的处理器相比，耗电量明显降低。

表1：采用M1和M2 SoC芯片的Mac Mini与前几代Mac Minis的耗电量比较。来源：苹果公司网站

光子学也正在通过遵循类似的集成方法来实现更大的效率提升。制造商能在单个芯片上集成的有源和无源光学元件（激光器、调制器、检测器等）越多，就能节省更多的能源，因为它们避免了分立元件之间的耦合损耗，并能进行交互式优化。

让我们首先讨论一下像收发器这样的光学设备的三个不同层次的设备集成：

分立构建：收发器的组件是通过独立的工艺制造的。然后使用不同类型的互连将这些组件组装成一个单一的封装。
部分集成：一些组件在同一芯片上制造和集成，但其他组件是单独制造或采购的。例如，收发激光器可以在不同的材料上单独制造，然后与其他收发元件互连到一个芯片上。
完全集成：所有的部件都是在一个芯片上用一种材料同时制造的。

虽然分立构建和部分集成在管理单个组件的生产产量方面有优势，但完全集成导致更少的光学损失和更有效的封装和测试过程，使它们在可持续性方面更适合。

耦合离散元件所需的互连导致电和光的损失，必须用更高的发射器功率和更多的能源消耗来补偿。不同组件之间的互连越多，损失就越大。分立的构建将有最多的互连点和最高的损失。与分立构建相比，部分集成减少了互连点的数量和损失。如果这些组件是由不同的光学材料制成的，互连将遭受额外的损失。

另一方面，完全集成使用相同基材的单一芯片。它不需要芯片之间的有损互连，最大限度地减少了光学损失，大大降低了收发器器件的能耗和占用面积。

图1：通过不同的集成方法将激光器与其他光子元件集成的例子。

更多的集成节省了稀缺的资源

谈到能源消耗和可持续性，我们不应该只考虑PIC消耗的能源，还应该考虑制造芯片和组装收发器的能源和碳排放。举一个电子行业的例子，哈佛大学和Facebook的一项研究估计，对于苹果公司来说，制造业占其碳排放的74%，其中集成电路制造约占苹果公司碳产出的33%。这比使用苹果产品的排放要高。

图2：苹果公司的碳排放分类。制造占总排放量的74%，硬件使用占19%。制造集成电路（即SoC、DRAM和NAND闪存）的碳排放量高于硬件使用的碳排放量。

芯片制造过程消耗了大量的资源。一个典型的电子半导体芯片厂每天使用200万到400万加仑的水（大约是每天700万到1500万升的水）。芯片通常需要稀有金属，如金、钴和银或稀土，如铒钇、钕或铥。采矿和加工这些材料是产生最多废物和对环境破坏的活动之一。更糟的是，我们只回收了这些材料的一小部分。例如，全球可持续发展倡议估计，高科技产品每年使用320吨黄金，而电子垃圾中只有不到15%的黄金被回收再利用。

集成方式的选择对收发器的制造和封装的复杂性有影响，而这又对其可持续性水平有影响。例如，离散式集成需要单独的制造工艺来制造每个部件，这需要消耗更多的能源和资源。部分集成减少了互连的数量，需要较少的独立工艺和资源。另一方面，通过在单一工艺的单一芯片上制造，完全集成的收发器可以最大限度地减少制造和装配过程中的能源消耗。

早期测试避免了浪费

测试是制造过程中影响可持续性的另一个方面。在测试过程中越早发现故障，对材料的使用和加工有缺陷的芯片所用的能源的影响就越大。理想的情况是，测试不仅发生在最终封装好的收发器上，而且发生在PIC制造的早期阶段，例如在晶圆加工或将晶圆切割成小晶粒后进行测量。

图3：封装级（上排）与芯片级（下排）的测试。制造商可以通过在裸片级的测试更早地发现故障，从而避免浪费包装材料。

分立和部分集成方法在将所有不同的组件连接在一起后，在最终的封装上进行更多的光学测试。如果只有一个部件没有通过测试过程，整个封装的收发器就需要被丢弃，这可能会导致大量的材料浪费，因为在制造过程的这个阶段，没有任何东西可以被 "修复 "或重新使用。

完全集成可以更早地对半导体晶圆和芯片进行光学测试。通过在封装前直接测试裸片和晶圆，制造商只需要丢弃坏的裸片，而不是整个封装，这就节省了宝贵的能源和材料。

完全集成推动可持续发展

虽然通信网络已经变得更加节能，但进一步的技术改进必须继续降低每个比特的能源成本，并跟上互联网流量的指数式增长。同时，人们更加关注可持续性和负责任的制造的重要性。我们所提到的所有光子集成方法都将在降低未来网络的能耗方面发挥作用。然而，在所有这些方法中，只有完全集成能够对可持续性和环境友好型制造的目标做出重大贡献。一个完全集成的片上系统可以最大限度地减少光损耗、收发器能耗、电力使用和材料浪费，同时确保提高制造、封装和测试过程的能源效率。