超大規模資料中心重塑AI基礎設施

為了增加資料傳輸的速度、距離和效率，AI生態系統正在探索射頻（RF）矽中介層技術，以實現互補式金氧半導體（CMOS）、雙極互補式金氧半導體（BiCMOS）與三五族材料的異質整合。

「這就是NVIDIA執行長黃仁勳目前正在尋找的解決方案。」 科技媒體《TechRadar》在比利時微電子研究中心（imec）發表其射頻（RF）矽中介層技術的最新進展後所提出的評語。如此高度評價—同時點出超大規模資料中心與更廣泛的AI生態系統所面臨的龐大挑戰：如何更高速傳輸不斷增加的資料量，同時在功率、成本與部署的現實限制下維持發展。

imec先進射頻技術組合總監Joris Van Driessche表示：「尤其是在資料中心，急遽飆升的資料流量與AI工作負載持續高速壓迫基礎設施的運作。而影響最明顯的就是資料互連技術。電訊號互連一直是在交換器、路由器與伺服器之間傳輸資料的核心技術。然而，當傳輸距離與通道傳輸率增加時，這些互連的功耗會急遽增加，散熱限制加劇，訊號完整性也會衰退。」

圖一 : 可插拔式光學模組的擴展

因此，業界正在加速採用光學互連。光學互連採用光訊號來取代電訊號，可以實現更快速、更長距且更高效率的資料傳輸。不過AI基礎設施持續朝向每秒（數）兆位元等級的介面發展，結合超高能源效率和超低（微秒以下）延遲成為必需，光互連也因此推向新極限。

這些都是超大規模資料中心與更廣泛的AI生態系統所面臨的技術需求。為了滿足這些需求，必須採用100GHz以上的超高頻元件。

結合技術以維持性能

圖二 : 選用緊湊型三五族材料或BiCMOS小晶能實現關鍵的高效功能。

邁向更高頻傳輸本身會陷入一種兩難。傳統的矽基CMOS技術提供量產的成本優勢，但在100GHz以上的超高頻性能卻不如預期。相較之下，磷化銦（InP）和氮化鎵（GaN）等三五族材料提供優異的訊號增益、輸出功率和效率，但仍難以實現量產，且製程成本高昂。

「早期設計評估的結果顯示，imec開發的射頻矽中介層技術能將三五族小晶片的面積縮小到三分之一以下，還不會影響元件功能。」

imec研究計畫主持人Joris Van Driessche表示：「另外，在驅動器與轉阻放大器（TIA）等光互連組件方面，還有第三種競爭方案：雙極互補式金氧半導體（BiCMOS），即結合CMOS的可擴充性與雙極性電晶體的傳輸速度的一種半導體平台。BiCMOS無須仰賴三五族材料就能支援所需的頻寬與性能，但仍面臨在內連之間維持性能的技術挑戰，這些內連負責把這些驅動器與轉組放大器連接到系統的數位訊號處理器與光子積體電路。」

他解釋，imec的解決方案就是用來結合優勢：「與其採用三五族或BiCMOS技術來建立整個系統，不如選用緊湊型三五族材料或BiCMOS小晶片來實現關鍵的高性能功能，這些技術的性能優勢就能合理化附加成本。接著，這些小晶片異質整合到一層射頻（RF）矽中介層上，該元件層搭載其他的被動元件，還能提供達到325GHz高頻傳輸的超低損耗內連。」

量化技術優勢：縮小佔板面積 同時維持性能

Van Driessche表示：「這套方法對超大規模資料中心和更廣泛的生態系統來說意義重大。他們認為三五族材料與BiCMOS提供了出色的射頻性能，所以接下來要問的是經濟層面是否可行。射頻矽中介層技術可能不是具備最低元件成本的方案，但隨著系統日益複雜，未來有望大幅降低整體成本、佔板面積與整合複雜度。」

早期設計評估可以驗證這方面的潛能，其結果顯示，imec開發的射頻矽中介層技術能將三五族小晶片的面積縮小到三分之一以下，而且不影響元件功能，還有機會進一步提升射頻性能。實現這點的方法是採用更小間距（覆晶）的整合技術，以及轉移被動元件到中介層上。目前攜手業界夥伴進行的研究目標是驗證這些發展預測，並透過未來的概念驗證展示來量化系統級的技術優勢。

跨出資料中心 探索更多應用

@內文雖然資料中心基礎設施是射頻矽中介層技術最有潛力的應用，但這項技術的潛力遠不止於此。

航太、安全和汽車應用的高性能雷達系統也面臨了很多相同挑戰。雷達為了達到更高的感測解析度而逐漸採用更高頻率，同時需要維持長距偵測能力，因此需要提供高輸出功率與效率的發射機技術，以及具備超低雜訊值的接收器。

而新一代衛星通訊系統也有類似的技術需求—這些系統逐漸採用更高頻段（Ka頻段、Q或V頻段等），以支援持續升級的資料傳輸率。

在這些各式應用，三五族材料提供在嚴苛狀態下運作所需的射頻性能，而射頻矽中介層技術可以把這些應用異質整合到可擴充且可製造的緊湊型系統—有助於推動量產發展。

圖三 : 共同封裝光學（CPO）技術介紹

邁向可製造的高頻系統

imec持續積極發展其12吋射頻矽中介層技術，為三五族小晶片與矽基CMOS的異質整合應用提供一套系統級平台—其最近進展包含高密度的嵌入式電容、用於被動元件的可擴充建模框架，以及用於三五族小晶片組裝的雷射輔助晶圓接合技術。

Joris Van Driessche表示：「目前的研究聚焦提升這套平台的技術整備度，同時為協助實現少量製造，建立所需的設計流程、被動元件模型、散熱管理解決方案，以及可靠度數據。」

他總結：「imec提供的IC-Link商用客製晶片服務是一大關鍵推手，提供一條從原型設計到少量製造的開發途徑。業界從過去聚焦個別的概念驗證，逐漸轉向關注可實際部署的解決方案，這種製造能力將在加速新一代超寬頻系統的商業化進程發揮更關鍵的作用。」