撰文：紀泰永(SoC特約記者)
臺大系統晶片中心（SoC）於今年3月21日舉辦第一次研發季報《超高速晶片傳輸與感測技術》。多名教授提到摩爾定律已放緩，若要打破現況，可利用先進系統封裝技術，而矽光子技術能大幅提高晶片間的傳輸速率，維持集成系統的高效率運作。前科技部部長、SoC主任陳良基表示，2018年在就任科技部部長時便看見矽光子技術的必要性，提出4年3.2億的資源推動矽光子科技發展計畫。「如果AI的浪潮持續，那矽光子技術對高效能運算就會越來越重要。」
台灣發展矽光子優勢大，智慧感測科技成商機
過往在半導體中是以電子進行訊號傳遞，矽光子科技則改以光子，使傳輸速度變得更快。臺大電資學院特聘教授林清富表示，矽電子產業鏈建構已非常完整，且矽的製作技術成熟、價格低，讓矽光子有許多技術能承接矽電子。「矽光子搭在矽電子這個巨人肩膀上，還有機會再往上走。」
其中智慧感測科技是矽光子的商機之一。林清富提到，過往以光波導進行感測，不僅產量不大導致單價過高，且因待測物需與光波導接觸而影響測量，使得製作和使用都不太方便。近期林清富研發的中長波紅外光矽光子技術克服上述問題，並利用矽CMOS元件，使一個晶片上就搭載多項功能。
林清富分享矽光子感測科技能夠應用如血壓、血氧的生理訊號測量，及感應空氣中有害物質，例如能偵測電池裂解所產生的氣體，以預防後續膨脹爆炸的風險。林清富說，在眾多光電產品中，矽光子成長幅度最多。而臺灣具備世界第一的矽電子技術，若能在此優勢上及時發展矽光子，將能搶佔先機。
共封裝光學（CPO）技術結合矽光子，摩爾定律新解方
摩爾定律意指積體電路上能容納的電晶體數量每18個月能增加一倍。然而儘管製程往3奈米、2奈米邁進，如同林清富分享：「尺寸再怎麼小，都不可能將原子切成一半。」半導體已經來到物理限制邊緣。臺大光電所教授黃定洧談到，現今業界已往立體封裝：將數個晶片並排在矽中介板上，再與電路板連接。黃定洧說，目前立體封裝有2.5D和3D兩類，此技術更因連接導線變短，減少訊號的延遲和損耗，台積電等廠商正努力將其商品化。
矽光子技術爲什麼選用矽作為材料？黃定洧說矽具備高折射率特性，適合製作微小彎曲波導結構，並因矽在通訊波段是透明材料不會吸收光，使光能毫無阻礙地通過，而被選用作為光通訊的光波導元件。黃定洧表示，在具備立體封裝和矽光子技術下，共封裝光學（CPO）便是將這兩者封裝在一起，能夠降低晶片尺寸，並且以低成本方式達到高速傳導效果。高資料傳輸速率、低延遲、低能量損耗，共封裝光學將成為摩爾定律新解方。
微轉印技術解決矽光子表現不足問題
臺灣半導體研究中心矽光子技術總負責人林銘偉，分享今年2月於舊金山舉辦的國際固態研討會（ISSCC）強調矽光子的需求來自資料傳輸量的增加，尤其是在AI應用上。林銘偉表示在高速傳導下，調變器（Modulator）必須對應多個波長；而挑選調變器需考量頻寬範圍，及對於光的調變效果是否夠強。也因此具備對應多波長、體積小的MRM（Micro Ring Modulator）調變器為現行多數企業選項。
林銘偉在談到矽光子與傳統三五族半導體材料表現仍有差異，可用微轉印（Micro-transfer printing）技術將鈮酸鋰或磷化銦等物質轉移到矽上，再以金屬將訊號連接，以解決表現落差問題。此項技術將於今明兩年，由半導體研究中心和比利時根特大學（Ghent University）共同合作開發。
類比數位轉換器（ADC）增加AFE頻寬及偵錯能力
清華大學彭朋瑞教授在其研究「800GbE共封裝光學之光電收發器」中，利用到2bit與3bit的類比數位轉換器（ADC）去增加AFE頻寬和偵錯能力。當傳輸速率來到112Gb/s時，在PAM-4接收器使用越多信號切割器（Slicer）就會消耗過多能量，因此儘管3bit轉換器能提供的分辨率較高，但彭朋瑞表示，2bit的能量只需要一半，因此系統多使用2bit轉換器。
彭朋瑞談到，目標將八個通道集成在一個收發器上，以滿足800GbE共封裝光學。
邁向112Gb/s高傳輸速率目標
臺大電機系陳信樹教授在與劉深淵教授、劉宗德教授共同進行的「112Gb/s XSR高速有線傳輸系統晶片」計畫中，目標在資料傳輸速率112Gb/s下，有線接收機能克服高通道耗損且達到低功耗。陳信樹提到，以連續時間線性等化器（CLTE）可以使訊號增益並補償高頻訊號的能量耗損；加上使用電壓模式輸出驅動器的同時，推出新型低功耗阻抗控制迴路。希望能以此兩創新技術達到計畫目標。
除了在使傳輸效率提升之外，本計畫還推出硬體資安電源管理數位低壓差穩壓器（DLDO），以電流均衡方法加上亂數概念以抵禦旁通道攻擊（Side Channel Attack）。陳信樹解釋，計畫第一階段所設計的有線接收機能提供56Gb/s的傳輸能力；並在第二階段進行將晶片統整在一片電路板上，進而達到112Gb/s傳輸能力。
陳良基主任表示，做尖端科技研究的學者往往看不見應用前景，因其所解決的是五年、十年後的難題；希望晶片中心季報能讓學界知道業界遇到的第一線難題，給學界研究員一個挑戰。SoC中心第二次季報將於6月登場，如有興趣，再請關注SoC中心網站最新資訊。