Intel Labs

Durchbruch für Integrated Photonics

14. Juli 2022, 8:26 Uhr | Heinz Arnold

Intel Labs ist ein Durchbruch auf dem Gebiet der photonischen integrierten Chips gelungen: Die Bandbreite für die Datenübertragung steigt deutlich – bei kostengünstiger Volumenproduktion.

Denn die Photonic Integratied Chips (PICs) lassen sich mit Hilfe von Standard-CMOS-Prozessen fertigen, wie sie aus der Fertigung von ICs bekannt sind. Das zeigt Intel am Beispiel eines Distributed Feedback-Laser-Arrays (DFB-Array) mit acht Wellenlängen, die auf einem Silizium-IC integriert sind. Er erreicht eine Power-Uniformity von ±0,25 dB und eine Wavelength Spacing Uniformity von ±6,6 Prozent. »Es lassen sich also sehr gut angepasste Ausgangsleistungen mit gleichmäßigen und eng nebeneinanderliegenden Wellenlängen realisieren – damit eröffnet sich ein schneller Weg in die Volumenfertigung der optischen Komponenten der nächsten Generation«, sagt Haisheng Rong, Senior Principal Engineer bei Intel Labs.

Denn mit den neuen Distributed Feedback-Laser-Arrays, die Intel auf 300-mm-Wafern fertigt, stehen nun Lichtquellen zur Verfügung, die den Anforderungen für die optische Datenübertragung erfüllen, die höchst rechenintensiven Aufgaben stellen, beispielsweise KI und dem Machine Learning.

Die Analysten von Gartner haben prognostizieren, dass bis 2025 in mehr als 20 Prozent aller Datenübertragungskanäle hoher Bandbreite in Datenzentren PICs zum Einsatz kommen werden. 2020 waren es erst 5 Prozent gewesen. 2025 schätzt Gartner, den Markt für PICs auf einen Umsatz von 2,6 Mrd. Dollar. Die treibenden Kräfte dahinter seien der Bedarf an niedriger Leistungsaufnahme, hoher Bandbreite und steigende Datenübertragungsraten.

Dass die Datenübertagung über Licht leistungssparender und schneller funktioniert, ist schon seit langen bekannt. Doch erst über die letzten Jahre gelang es, die Technologie so effizient und kostengünstig zu machen, dass sie sich nun auf breiter Front durchsetzen kann. Sowohl die Größe der Komponenten hat sich stark reduziert als auch ihre Kosten, so dass sie zu echten Alternativen für die Datenübertragung in Datenzenten und im High-Performance Computing werden.

Dabei müssen die konventionellen ICs eng mit den neuen optischen Komponenten kombiniert werden. Denn in den Servern wird weiterhin rein elektronisch gerechnet, während die Übertragung zwischen den Servern zunehmend über optische Kanäle abgewickelt wird.

Das bedeutet auch eine Herausforderung für das Packaging, denn die elektronischen Chips und die photonischen ICs in ein Chipgehäuse zu integrieren – Co-Packaging lautet der Fachbegriff dafür – ist nicht einfach. Deshalb entfällt derzeit der größte Anteil der Kosten für die Produktion eines PICs auf das Packaging.

Bisherige über das Co-Packaging realisierte optische Systeme auf Basis von Wavelength Division Multiplexing (DWDM) haben schon gezeigt, dass es möglich ist, die Bandbreite signifikant zu steigern – und das bei deutlich geringeren Chipgrößen. Allerdings war es bisher nicht möglich, Lichtquellen zu fertigen, die sowohl eine ausreichende Wellenlängen-Separierung als auch eine genügend gleichmäßige Ausgangsleistung lieferten, um die Anforderungen der DWDMs zu erfüllen.

Diese Hürde hat Intel jetzt genommen: Mit den neuen Arrays können optische Netzwerke in Rechenzentren aufgebaut werden, die den Bandbreite-Anforderungen der KI- und ML-Workloads von morgen genügen.

Die Acht-Wellenlängen-DFB-Arrays fertigt Intel auf 300-mm-Wafern mit Hilfe der »Hybrid Silicon Photonics Platform«, die dazu genutzt wird, optische Transceiver in hohen Stückzahlen zu produzieren. Dass diese Laser sich jetzt in VMOS-Prozessen mit Hilfe derselben Lithografiegeräte fertigen lassen, die für ICs herangezogen werden, ist der eigentliche Durchbruch.

Ganz so einfach wie das auf den ersten Blick aussieht, ist es allerdings nicht. Intel zog die neusten Lithografietechniken heran, um die Strukturen für die Wafeguide-Gratings abbilden zu können, bevor der III-V-Wafer auf den Silizium-Wafer gebondet wird. Auf zwei verschiedenen Wafern zu fertigen, sieht Intel als entscheidend an, um die bessere Gleichmäßigkeit bezüglich der Wellenlängen zu erreichen. Mit Hilfe der konventionellen Techniken werden die Laser auf III-V-Wafern mit Durchmessern von 3 oder 4 Zoll gefertigt.

Künftig wird Intel weitere wesentliche Bausteine entwickeln, um eine komplette optische Netzwerk-Infrastruktur aufbauen zu können. Neben den Lichtquellen gehören dazu Verstärker, Empfänger, Modulatoren und CMOS-Schnittstellen-ICs. Die Advanced Packaging Technologien entwickelt Intel ebenfalls weiter, um die PICs leistungsfähiger zu machen und die Produktionskosten zu senken.

Außerdem wird die Silicon Photonics Products Division von Intel die aus der Entwicklung und der Produktion der integrierten Laser-Arrays gewonnen Erfahrung dazu nutzen, Chiplets für die optische Verbindungstechnick zu produzieren. Die daraus resultierenden neuen Produkte werden Datenübertragungsraten im Bereich mehrere Tb/s zwischen CPUs, GPUs und den Speichern ermöglichen. Auf diesen Weg sei laut Intel die erfolgreiche Entwicklung des integrierten Laser-Array ein wesentlicher Schritt gewesen.