康莊有待 盧鴻智看好矽光子高速運算

盧鴻智以數位雙生技術創建的矽光子超級晶片演示。
發明矽光子並有多篇美國相關專利的盧鴻智認為,矽光子是高速運算的終極選項之一,隨著AI發展前景光明,但長路漫漫有待長時間研發。圖為盧鴻智以數位雙生技術創建的矽光子超級晶片演示。圖 / 盧博設計工坊提供

矽光子(Silicon Photonics)近年開始紅起來,許多廠商紛紛宣示投入矽光子研發。致力跨領域公益創造的盧鴻智博士,回顧他20多年來,從年輕歲月就開始投注在矽光子領域發明的歷程。

1999年盧鴻智開始研發矽光子,當時完全是偶然,說老實一點,是迫不得已。他說:「Intel和IBM是在2001年以後才陸續開始研發矽光子」。

盧鴻智原本是做光子元件的,但在二十多年前台灣完全沒有成熟光子元件的二氧化矽晶片製程,一切都還在研發中。於是,他想到當時已經很成熟的矽晶片製程,雖然對光子來說線寬是小了點但勉強可用。

盧鴻智當時的想法與科技公司的常規思路相反,一般科技公司都會想辦法攻克二氧化矽晶片製程,但他個性不擅社交,在沒有足夠資源奧援、迫於無奈下,選擇變通,這一選擇,不僅讓他發明矽光子,還獲得多篇美國專利。

盧鴻智指出,直到現在,矽光子的波導線寬仍是180-220nm(0.18-0.22um)的次微米,與當時他採用的半導體製程線寬一樣,不過,現在先進製程都演進到3奈米了。

圖一:實現晶片間高速傳輸的矽光子核心元件,獲有美國專利US8406579。
實現晶片間高速傳輸的矽光子核心元件圖,獲有美國專利US8406579。圖 / 盧博設計工坊提供

他當時的構想是結合電子運算與光子傳輸,合兩者之長,解決chip到pin接腳的bonding造成的高頻限制,以晶片間光子傳輸取代傳統排線,其中核心元件為他所發明的美國專利US8406579,如上圖,可以同時實現波長多工與光調變,大幅縮短光子元件尺寸,可以更容易與電子元件匹配。

身為矽光子先驅,但盧鴻智並不認為矽光子在可預見的未來,短期會有太大前景,APU已經實現CPU+GPU的單一封裝,CPU+GPU+RAM的超級晶片也不遠,在這樣的多晶片封裝下,就沒有chip到pin接腳的bonding所造成的瓶頸,矽光子的角色也就沒有其強烈的必要性;屆時重頭戲反而是散熱,風冷肯定不夠,取而代之的是液冷、甚至浸沒式液冷。

而且矽光子的晶片製程跟一般電子元件的晶片製程,完全是不同層次,線寬也差距甚大,電子的高侷限性讓導線可以做小,目前先進製程可做到3奈米,電子元件也不斷在微縮,而光子的導線,也就是波導,受限光子的低侷限性,20多年了,仍停留在180-220nm,因此,光子元件與電子元件,不僅製程上的整合難,連耦光損失目前都仍然難以有效降低。

Intel做了20多年,才做出矽光子收發器,技術難度可見一斑。盧鴻智認為,矽光子的強烈必要性,將在需要多個超級晶片間高速橫向聯繫抑或超級晶片與光纖網路有高速連網需求時,才會開始浮現。首圖是盧鴻智以數位雙生技術創建的矽光子超級晶片,為獲更好演示,他引用Intel CPU與nVidia GPU的die shots來呈現電子訊號與光子訊號間的轉換與傳輸。

兩個不同波長的DC光源,分別做為CPU與GPU的傳輸訊號的光子載體,耦光進入波導光路後,通過US8406579核心元件,能同時將CPU與GPU的電子訊號都個別轉成光子訊號,再波長多工在一起,由同一條光纖傳輸出去,此為上行,下行類似,將光調變器改成光偵測器,從而將回傳的光子訊號轉換回電子訊號。

矽光子是高速運算的終極選項之一,隨著AI發展有著光明前景,只是還需要漫長時間去研發,需要投入非常多資源。雖然因個性使然,在沒得到有力支持下,2010年以後毅然決然放棄矽光子研究,但是盧鴻智轉戰生態友好的科技與藝術公益創造,照樣發光發熱。

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