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曲博拆解！大立光看衰Micro LED做CPO？真的不可行？ — Transcript

by 曲博科技教室 Dr. J Class · 652 words · 615 segments · language zh-TW · Watch on YouTube

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0:00光有所謂的模態和色散
0:02因此比大家想像的更復雜
0:04雷射的二極體雖然傳送資料的速度快、距離遠
0:07但是結構複雜、成本高
0:09而發光二極體 Micro LED
0:11雖然傳送資料的速度慢、距離短
0:14但是結構簡單、成本低
0:16很明顯各有所長
0:17因此長距離的通訊使用雷射二極體
0:20短距離的通訊使用 Micro LED
0:22確實是未來可能的發展方向
0:24至於
0:25各位曲博科技教室的觀眾朋友大家好
0:27我是曲博
0:28上週最熱門的科技新聞
0:30就是大立光的董事長
0:31替友達光電開發說會
0:33並且特別強調微型發光二極體 Micro LED
0:37用來製作共同封裝光學 CPO
0:40其實並不可行
0:41這樣的說法立刻就在投資圈炸鍋
0:44許多媒體紛紛報道大立光的董事長
0:46是吃了誠實豆沙包
0:48似乎使用 Micro LED 來做光通訊好像不可行
0:52事實是這樣嗎
0:53今天我們就從技術的觀點
0:55來和大家探討這個問題
0:56所以我們今天的題目是大力光替友達開發說會
1:00宣告microLED做CPU不可行
1:03真的嗎
1:03首先我們今天介紹光通訊的基本原理
1:06以及光收發模組和主動光覽
1:09再來我們介紹什麼是光的模態和色扇
1:12以及模態色扇和材料色扇的改善方法
1:16再來我們介紹共同封裝光學CPU的定義
1:19以及雷射二極體LD和微型發光二極體microLED的光源
1:25有什麼差別
1:26再來我們介紹資料中心的擴充套件
1:28包括向內擴充套件scale in
1:31向外擴充套件scale out
1:32向上擴充套件scale up
1:34和跨域擴充套件scale across
1:37最後我們比較雷射二極體LD和微型發光二極體microLED
1:42作為光通訊光源的差異
1:44首先光通訊的基本原理
1:47在光發射模組transmitter
1:49就是傳送端將電訊號轉換成光訊號
1:53也就是將電訊號的光或開代表零或一轉換成光訊號的按貨量代表零或一
2:00而光接收模組receiver是將接收端的光訊號轉換成電訊號
2:06也就是將光訊號的按貨量代表零或一轉換成電訊號的關或開代表零或一
2:12所以傳送端的電訊號光或開代表零或一
2:17經由光發射模組轉換成光訊號的按貨量代表零或一
2:23到接收端之後
2:24經由光接收模組轉換成電訊號的關或開代表零或一
2:29而通訊是雙向的
2:31因此有光發射模組就有光接收模組
2:35把這兩個模組整合起來
2:38稱為光收發模組
2:40Optical Transceiver
2:41包含傳送光學子系統TOSA
2:44以及接收光學子系統ROSA
2:47其中傳送光學子系統是將電訊號輸入之後
2:52經由電的聯結器
2:54儲存機體電路雷射驅動器通訊介面
2:57驅動雷射二集體將電訊號轉換成光訊號
3:01進入光聯結器輸出到光纖
3:03而接收光學子系統
3:05是由光纖將光訊號傳送到光聯結器
3:09再經由光偵測器將光訊號轉換成電訊號
3:13再經由轉阻放大器將電流轉換成電壓
3:16再經由訊號放大器傳送到電聯結器輸出電訊號
3:21而光收發模組最常應用在主動光欄AOC
3:25下面這個就是光收發模組
3:27將電訊號輸入轉換成光訊號輸出
3:31經由光纖到達接收端
3:33再將光訊號輸入轉換成電訊號輸出
3:37由於光通訊要發射也要接收
3:39因此這兩端使用光收發模組
3:42可以產生光訊號也可以接收光訊號
3:45如果將光收發模組
3:47也就是黃色的光紙晶片
3:49PIC和電子晶片
3:51EIC放在印刷電路板旁邊稱為可插拔光收發模組
3:57而將光收發模組移到接近交換晶片
4:01稱為板上光學OBO或進封裝光學NPO
4:05而將光收發模組移到交換晶片的導線載板上
4:10和交換晶片共同封裝成一個機體電路
4:14稱為共同封裝光學CPU
4:16如果將光收發模組放在系中介板上
4:20和交換晶片共同封裝成一個機體電路
4:23稱為光學輸入輸出OIO
4:26OIO當光收發模組
4:27也就是黃色的光紙晶片PIC和電子晶片EIC
4:32距離交換晶片越遠
4:34則電訊號傳輸的距離越長
4:37因此資料速率越低
4:39當光收發模組
4:40也就是黃色的光紙晶片PIC和電子晶片EIC
4:44越靠近交換晶片
4:46則電訊號傳輸的距離越短
4:48光訊號傳輸的距離越長
4:50因此資料速率越高
4:52所謂的光纖總共有三層結構
4:55最內層稱為纖核折射率大
4:58外層稱為纖殼折射率小
5:00最外層稱為皮膚
5:02也就是塑膠皮
5:03光纖傳遞光訊號
5:05是利用光會在折射率大的區域
5:08產生全反射的特性
5:10因此可以讓光沿著光纖的方向
5:13全反射前進
5:15科學家發現
5:16光進入光纖
5:17具有不同的模態
5:19同一個光源發射的時候
5:21產生的是放射狀的光源
5:23也就是任何角度都有光
5:25但是進入光纖的時候
5:27科學家發現
5:28只有在特定的角度
5:30才有光存在
5:31其中光在光纖中
5:33前進的方向和光纖的方向
5:35最接近的
5:36稱為第一模態
5:37First Order Mode
5:38也就是入射光角度
5:40和光纖的方向
5:42最接近的光
5:43光在光纖中
5:44前進的方向
5:45第二接近的
5:46稱為第二模態
5:47Second Order Mode
5:48也就是入射光角度
5:50與光纖的方向
5:51第二接近的光
5:52同理
5:53光在光纖中
5:54前進的方向
5:55和光纖的方向
5:57第三接近的光
5:58稱為第三模態
6:00Second Order Mode
6:00也就是入射光角度
6:02與光纖的方向
6:03第三接近的光
6:05由於光波
6:06是一種電磁波
6:07遵循
6:08馬克斯威爾方程式
6:10因此
6:10要求解光的模態
6:12必須求解
6:13馬克斯威爾方程式
6:15這個稱為波動光學
6:16而國中物理學
6:18老師教大家
6:19可以用一個箭頭代表光
6:21這個稱為幾何光學
6:23大家要記得
6:24幾何光學
6:25並不是光
6:26在光纖中真實的樣子
6:28因此用幾何光學
6:30很難直接解釋光的模態
6:32總之
6:33放射狀的光源
6:34發出的光
6:35應該是任何角度都存在
6:38但是進到光纖之後
6:40只有特定的角度
6:41存在入射光
6:43就稱為光的模態
6:44接下來我們介紹
6:45光的射散
6:46Dispersion
6:47假設光由傳送端
6:49發射出方形波
6:51但是經過光纖傳送以後
6:53由於光波沒有同時到達接收端
6:56所以接收端
6:57偵測到的光訊號
6:59被拉長而變形的現象
7:01稱為光的射散
7:02假設傳送端
7:04發射出暗量暗
7:05代表010
7:07進入光纖之後
7:08到達接收端
7:09由於有些光跑得快
7:11有些光跑得慢
7:13因此光訊號
7:14拉長變形
7:15這個現象就稱為光的射散
7:18如果射散比較輕微
7:19則接收端收到的亮度
7:22從1變成0.7
7:24勉強可以判斷出010
7:26這個時候接收端
7:28得到的訊號是正確的
7:30如果射散比較嚴重
7:31接收端收到亮度
7:331變成0.3
7:35則會誤判為000
7:37這個時候接收端
7:38得到的訊號就產生錯誤
7:40問題是
7:41同一個光源
7:42同一個時間發射出來
7:44在相同的介質中傳送
7:46為什麼會沒有同時到達接收端呢
7:48科學家發現
7:50會產生光的射散
7:51主要有三個原因
7:53第一個
7:53稱為模態射散
7:55Mode Dispersion
7:56這是因為介質中
7:57不同模態的光
7:59傳播路徑不同
8:00所以沒有同時到達接收端
8:03造成的射散
8:04我們剛剛曾經介紹過
8:05光源進入光纖之後
8:07只有特定角度的
8:09入射光存在
8:10從這個圖可以看出
8:11第一模態
8:12在光纖中移動的路徑最短
8:15最先到達接收端
8:16第三模態
8:17在光纖中移動的路徑最長
8:19因此最慢到達接收端
8:21因此模態越低
8:23路徑越短
8:24越快到接收端
8:25模態越高
8:26路徑越長
8:27越慢到接收端
8:28而要改善模態射散
8:30必須使用單模光纖
8:32取代多模光纖
8:33所謂的單模光纖
8:35因為只有第一模態
8:36所以不會產生模態射散
8:38當光纖的纖核
8:40只有5微米的時候
8:41光源發出的光
8:43只有第一模態
8:44進入纖核
8:45因此不會產生模態射散
8:48適合應用在長城光纖網路
8:50也就是跨海光纜
8:51或是資料中心的高速光通訊
8:54但是單模光纖
8:55製作困難
8:56價格較高
8:57而多模光纖
8:58因為同時有第二第三
9:00第四模態存在
9:02所以會產生模態射散
9:04當光纖的纖核
9:05有50微米的時候
9:07光源發出的光
9:08同時有好幾個不同的模態
9:11進入纖核
9:12由於不同模態的光
9:13路徑不同
9:14沒有同時到達接收端
9:16因此會產生模態射散
9:18只適合應用在短層光纖網路
9:21或區域光纖網路
9:22以及低速的光通訊
9:24但是多模光纖
9:26製作容易
9:26價格較低
9:27第二個是材料射散
9:29Material Dispersion
9:30是指不同波長
9:32也就是不同顏色的光
9:33在相同的介質中
9:35傳播的速度不同
9:36沒有同時到達接收端
9:38所造成的射散
9:40改善材料射散的方法
9:42必須使用雷射二極體LD
9:44取代發光二極體
9:46LED作為光源
9:47雷射二極體發射出來的光譜
9:50具有比較小的波長範圍
9:52也就是光很純
9:53這個時候不同波長
9:55不同顏色的光比較少
9:57因此材料射散比較小
9:59由於雷射二極體有共振槍
10:01甚至光閘
10:03可以讓光在共振槍內來回共振
10:06經由光閘波長選擇
10:08因此發射出來的光發散角很小
10:12而且雷射二極體發光的波長範圍很小
10:16代表光集中在某些波長某些顏色
10:19不同波長的光
10:21不同顏色的光比較少
10:23因此可以減少材料射散
10:25適合應用在長城光線網路
10:28也就是跨海光纜或資料中心的高速光通訊
10:31但是雷射二極體製作困難價格較高
10:34而發光二極體LED放射出來的光譜
10:37具有較大的波長範圍
10:40代表光不純
10:41而且不同波長不同顏色的光比較多
10:44在相同的介質中傳播的速度不同
10:47所以造成材料射散
10:49由於發光二極體沒有共振槍
10:52因此光發散角很大
10:54而且發光的波長範圍很大
10:57代表不同顏色不同波長的光比較多
11:00因此會產生材料射散
11:02只適合應用在短程光線網路或區域網路
11:06以及低速光通訊
11:08發光二極體製作容易價格較低
11:11從前面的介紹
11:12大家會發現
11:13因為光有所謂的磨泰和射散
11:16因此光通訊比大家想象的複雜很多
11:19如果使用雷射二極體LD作為光源
11:22由於雷射二極體的發光波長範圍比較小
11:26因此材料射散比較小
11:28單通道可以達到200Gbps以上
11:31並且可以使用單磨光纖來減少射散
11:35通訊距離可達數公尺到數公里
11:38但是由於光通訊的速度非常快
11:41而處理器的速度沒有那麼快
11:43因此必須使用串列解串器SERDES
11:47把並列低速的電訊號轉換成串列高速的電訊號
11:52才能交給光收發模組轉換成光訊號
11:55而且高速的光通訊容易造成訊號失真
11:59必須使用數位訊號處理器DSP
12:02把變形模糊的數位訊號
12:04重新拉值還原
12:06例如必須計算時邁與資料回覆
12:10CDR與前項錯誤更正FEC演演算法
12:14而且必須使用雷射驅動器
12:16來驅動半導體雷射發光
12:18接收端需要使用轉阻放大器
12:21TIA將輸入電流訊號放大
12:24並且轉換成電壓訊號
12:26而且如果雷射和光子晶片封裝在一起
12:30成為內部雷射
12:31由於溫度太高必須降溫
12:33因此就必須使用熱電智慧器TEC
12:37而使用外部雷射光源ELS
12:40代表雷射在光子晶片的外面
12:43持續發光
12:43這個時候雖然不需要使用熱電智慧器降溫
12:47卻需要在光子晶片上製作光調變器Modulator
12:51來控制光的亮暗
12:54最常使用的是馬赫認德調變器MZM
12:57或微環形調變器MRM
12:59這些調變器會讓光子晶片的製程變得更復雜
13:03成本變高
13:04如果使用微型發光二極體MicroLED作為光源
13:08由於發光二極體本身沒有共振槍
13:11而且發光的波長範圍比較大
13:13因此會產生模態射散和材料射散
13:17單通道只能達到2Gbps以上
13:20通常使用多磨光纖會產生射散
13:23通訊距離只有數公分到數公尺
13:26而且必須使用100顆微型發光二極體
13:30對應100條光纖才能達到和雷射二極體一樣的資料速率200Gbps
13:36由於要對準100顆MicroLED和100條光纖非常困難
13:41因此一般是使用成像光纖素IFB或者多核心光纖MCF
13:47來同時傳送100個通道的光訊號
13:51每一個通道2Gbps以上
13:53100個通道就可以達到200Gbps以上
13:57但是它相關的周邊使用的元件簡單很多
14:01只需要發光二極體驅動器來驅動發光二極體發光
14:05同時也需要轉組放大器TIA
14:08將輸入電流訊號放大並且轉換成電壓訊號
14:12而且發光二極體的光發扇角大
14:15因此匯入光纖的效率很低
14:17可以使用微型垂直共振槍面色型雷射
14:21MicroVixxon來改善訊號品質
14:24也就是在發光二極體晶片的正面和背面
14:28製作簡單的共振槍
14:30這樣的元件類似垂直共振槍面色型雷射Vixxon
14:34因此業界把它稱為MicroVixxon
14:37在人工智慧的資料中心
14:39總共有四種擴充套件處理器的方式
14:42也就是將更多的處理器串聯起來
14:45共同進行人工智慧的運算
14:47第一種向內擴充套件ScaleIn
14:49是指晶片間通訊
14:51也就是將處理器和處理器
14:53經由先進封裝堆疊起來
14:55第二種向上擴充套件ScaleUp
14:58又稱為垂直擴充套件或縱向擴充套件
15:01也就是在同一個機櫃裡面
15:03把處理器串聯起來
15:05第三種向外擴充套件ScaleOut
15:07又稱為水平擴充套件或橫向擴充套件
15:10是指將機櫃和機櫃之間的處理器串聯起來
15:14第四種跨域擴充套件ScaleAcross
15:16是指資料中心向外和別的資料中心的處理器串接起來
15:22這四種不同的擴充套件方式
15:24通訊距離不同
15:26雷射二極體LD的通訊距離在數公尺到數公里
15:31適合向上擴充套件向外擴充套件跨域擴充套件
15:34而微型發光二極體MicroLED的通訊距離在數公分到數公里
15:38適合向上擴充套件或向內擴充套件
15:40並且全球使用微型發光二極體
15:42作為光通訊光源的公司
15:44包括Avacynar
15:46他們所製作的微型發光二極體MicroLED陣列
15:48每一顆MicroLED可以提供2Gbps以上的資料速率
15:52因此100顆可以提供200Gbps的資料速率
15:56這個是發射端的MicroLED陣列
15:58這個是接收端的MicroLED陣列
16:00這個是接收端的
16:02接收端的接收端
16:04接收端的接收端
16:06MicroLED陣列
16:08這個是接收端的光偵測器陣列
16:10而這個是MicroLED上面的微透鏡陣列
16:14這個則是光纖素的截面機
16:16從左邊這個圖可以看出
16:18藍色是發射端的MicroLED陣列
16:21上面有100個MicroLED
16:23對準正上方的光纖素
16:25將光訊號傳送出去
16:27接收端則使用黃色的光偵測器陣列
16:31總共100個光偵測器
16:33利用這樣的結構
16:34可以在處理器或交換晶片的旁邊
16:37直接透過晶片對晶片的介面
16:40和微型發光二極體
16:42光通訊用的光子晶片
16:44整合在同一個導線載板上
16:46臺灣則有光詢科技
16:48推出微型發光二極體解決方案
16:50可以將處理器或交換器晶片
16:52直接透過周邊元件
16:54互聯快捷PCIe
16:56或通用小晶片互聯快捷UCIe
16:59連線到微型發光二極體通訊模組
17:03上面包含特定應用機體電路
17:05傳送端經由發光二極體驅動器
17:08驅動MicroLED或MicroVixel發光
17:11將電訊號轉成光訊號
17:13進入光纖素
17:14也就是左邊的這個圖
17:16利用電訊號連線處理器交換器
17:20到微型發光二極體
17:22MicroLED或微型垂直共振槍
17:25面色型雷射MicroVixel正列
17:27再連線光纖素
17:29將光訊號傳送出去
17:31接收端則是將光訊號接收進來
17:34經由載系光偵測器
17:36將光訊號轉換成電訊號
17:38再經由轉阻放大器
17:40將電流訊號轉換成電壓訊號
17:43再傳送到特定應用機體電路
17:45也就是右邊這個圖
17:47將光訊號接收進來
17:48經由微型光偵測器
17:51正列接收
17:52再傳送回處理器或交換器
17:54而且一般的MicroLED
17:56使用微透鏡的發散角
17:58可以做到20-30度
18:00而光訊科技的MicroLED解決方案
18:03在不使用微透鏡的情況下
18:05光發散角可以縮小到15-20度
18:09大幅提高MicroLED
18:11傳送到光纖素的光效率
18:13目前單顆MicroLED的資料速率
18:16可以大於4Gbps
18:18而單顆MicroVixel的資料速率
18:21可以大於25Gbps
18:23最後我們比較雷射二極體
18:25LD和微型發光二極體
18:27MicroLED的比較
18:28從這個表可以看出
18:30使用雷射二極體作為光源的核心架構
18:33是高速的串列傳輸
18:36一顆LD可以做到200Gbps
18:39需要串列解串器
18:41而且調變使用更復雜的
18:43脈衝振符調變式Pen4
18:46也就是用四種不同的光亮度
18:48代表001 1011
18:50同時需要數位訊號處理器
18:52進行時脈與資料回覆CDR
18:55和向前錯誤更正FEC
18:57光源如果使用外部雷射
18:59則光紙晶片需要內建調變器
19:02如果使用內部雷射
19:04則光源需要熱電智慧器
19:06必須使用單膜光纖
19:08而且產生雷射光需要時間
19:10再加上比較複雜的數位訊號處理
19:13和調變
19:14因此訊號延遲比較長
19:16大約50到100奈秒
19:18但是傳輸距離比較長
19:20可以達到數公尺到數公里
19:22而這些電訊號或光訊號的處理
19:25使得雷射二極體的總單位
19:28單位員功耗較高
19:30大約傳送每位員需要4-8個picojower
19:33而且系統總成本比較高
19:36而使用微型發光二極體
19:38MicroLED
19:39它的核心架構是序列傳輸
19:41只能達到2Gbps
19:43必須使用100顆才能達到
19:45和雷射二極體一樣的速度
19:47但是它不需要串列解串器
19:49而且調變方式使用最簡單的
19:52脈衝陣符調變2
19:54又稱為非歸零碼
19:56也就是用兩種不同的光樣度
19:59代表零和一
20:00同時只需要簡單的訊號處理
20:02光源使用內部微型發光二極體
20:05結構很簡單
20:06傳輸的介石必須使用
20:08成像光纖束或多核心光纖
20:11而且直接由電訊號驅動MicroLED
20:14不需要複雜的數位訊號處理
20:16因此訊號延遲極短
20:18只有5到10奈米
20:20但是傳輸距離比較短
20:22只有數公分到數公尺
20:24由於運算簡單
20:25因此總單位元功耗比較低
20:28大約傳送每位元資料
20:30只需要1到2picojower
20:32而且由於結構簡單
20:34因此係統總成本較低
20:36從這個表可以看出
20:37使用微型發光二極體
20:39MicroLED作為光通訊的光源
20:41只有在傳輸介石以及傳輸距離
20:44比雷射二極體表現更差
20:46但是在功耗和成本
20:48比雷射二極體表現更佳
20:50換句話說
20:51這兩種光源分別有不同的應用
20:54這個是和臺積電合作的
20:56Light Matter所使用的
20:58外部雷射光源
20:59以及共同封裝光學
21:01它是使用微環形調變器
21:03在光子晶片上
21:05這樣的架構
21:06單通道速度很快
21:07但是成本很高
21:09而未來晶片堆疊至
21:11晶圓堆疊載板
21:13CoAX所使用的
21:14細中介板
21:15可能會換成光子中介板
21:17利用光子晶片上的
21:19微環形調變器
21:20來調變光訊號
21:22但是仍然需要外部雷射光源
21:24如果使用微型發光二極體
21:26MicroLED
21:27可以直接在光子中介板上
21:30巨量轉移MicroLED
21:32這樣就很容易將電訊號
21:34直接轉換成光訊號
21:36傳輸出去
21:37因此MicroLED
21:38未來應用在光子中介板
21:40或者晶片兼通訊
21:41由於結構簡單
21:43成本低
21:44確實是一個可能的發展方向
21:46歡迎大家
21:47掃描Nine的QR Code
21:48加入知識力專業社群
21:50你的專屬科技顧問
21:52經由前面的介紹
21:53大家會發現
21:54光通訊因為光有所謂的模態和色散
21:58因此比大家想像的更復雜
22:00雷射的二極體雖然傳送資料的速度快、距離遠
22:03但是結構複雜、成本高
22:05而發光二極體 Micro LED
22:07雖然傳送資料的速度慢、距離短
22:10但是結構簡單、成本低
22:12很明顯各有所長
22:13因此長距離的通訊使用雷射二極體
22:16短距離的通訊使用 Micro LED
22:18確實是未來可能的發展方向
22:20至於到底可不可行
22:22我認為至少要大約兩年的時間
22:24讓 Micro LED 相關的新創公司
22:26製作出工程樣品
22:28並且進行相關的測試才能夠決定
22:31因此大約在2028年
22:32就會有標準答案了
22:33讓我們拭目以待吧
22:35好我們今天的節目就到這邊
22:36大家對於微型發光二極體 Micro LED
22:39以及雷射二極體用來製作光通訊的元件
22:42有任何相關的問題
22:43歡迎大家發表在影片的下方
22:45我們再來討論
22:46謝謝大家晚安 Bye Bye

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