MEMS，未來十年路线圖

早段時間，美國SIA和SRC發布一份半導體未來發展路线圖，這在我們之前的文章《半導體產業，未來十年路线圖》中已經有了大概的講述。同時，我們也發布了《美國人眼中的數字處理器路线圖》以及《先進封裝，十年路线圖》和《模擬芯片，發展路线圖》。本章則是有關光學和MEMES的。

以下爲文章正文：

隨着晶體管 2D 擴展速度的放緩和 2.5D/3D 封裝技術的成熟，利用集成光子學技術、在 CMOS 工廠制造並採用先進集成電路封裝技術的光收發器和互連器件的开發开始成爲一項更爲重要的技術創新。與數據處理（計算）和存儲芯片共置於同一封裝內的光收發器被稱爲共封裝光學器件或 CPO。包含有源光子器件和相關光子電路的芯片稱爲 PIC（光子集成電路）。這些 PIC 將電信號轉換爲光信號，並在封裝之間和/或封裝內的計算核心與存儲器之間傳輸光域數據。

CPO 最重要的價值主張是提高帶寬密度和能效，而這兩項關鍵指標是由不斷增長的計算能力和通信帶寬需求所驅動的。這一需求尤其受到復雜的人工智能和 ML 加速器以及計算集群的快速增長和實施的影響，這些加速器和集群正在推動互連帶寬、能效和更低延遲的發展，從芯片級系統到由數千個 GPU、CPU 和存儲器 IC 組成的大規模系統。

在共同封裝光收發器提高數據傳輸效率的同時，光傳感器和執行器在數據收集和處理方面也發揮着越來越重要的作用。這些傳感器和執行器在電視、車頭燈、投影儀和 DNA 分析芯片等產品中，以及在數據傳感器和可穿戴式心率及氧氣傳感器的光學开關中都至關重要。其中許多傳感器都是採用微機電系統（MEMS）技術制造的。MEMS 設備和制造技術還可用於調整、調制或調節可調濾波器、激光器和光纖等光學設備的排列，從而實現近紅外（NIR）材料分析掃描儀等新產品。

此外，微機電系統與專用集成電路的結合也在同時走向成熟，這將帶來前所未有的產品。

傳感器的微型化推動了遠程醫療的革命，使診斷可以在偏遠地區或家中進行，提供了創傷較小的手術替代方案，並實現了可植入、可攝取或可穿戴的傳感器和神經探針。微型傳感器還促進了個人數字雙胞胎的使用，這樣醫生就可以通過模擬練習手術，並提供更准確的身體可視化，從而進行更好的診斷。

傳感器還促進了智能家居、智能城市和先進制造設施的創新。新型化學傳感器可檢測氣體，監測建築物內的污染和空氣質量。物聯網（IoT）的基礎是小尺寸、低功耗傳感器的可用性。傳感器還將繼續在結構健康監測和預測性維護、國防和航空等領域得到重要應用。

未來十年，手持和可穿戴小工具市場預計將繼續快速增長。此外，人工智能驅動的機器人和自動駕駛汽車也將繼續得到廣泛應用。所有這些應用都需要更復雜、更可靠、成本更低且具有高帶寬互連功能的傳感器。

未來十年的傳感器

手機經濟主要受成本、尺寸、性能和帶寬的驅動。強大的傳感器設計對手機的 GPS、陀螺儀、加速度計、壓力傳感器、磁力計、光學圖像穩定器、麥克風和指紋傳感的成功至關重要。在過去五年中，傳感器的靈敏度和精確度增長了十倍，而功耗、成本和尺寸卻下降了五分之一。預計這些趨勢還將繼續。

物理和人工智能在設備計算中的融合使基於微機電系統的產品設計更加出色。這些傳感器的集成使導航定位、穩定性控制、撞擊檢測、自適應照明、圖像穩定和牽引力控制等活動得以無縫執行。更好的傳感器性能意味着更高的信噪比（SNR）、更高的動態範圍和亞毫瓦級的功耗。

還需要具有附加功能的傳感器。例如，需要帶隙小於硅（Si）、可工作於短波紅外（SWIR）的硅集成元件，以實現高分辨率、對眼睛安全的長距離激光雷達（LiDAR）。將這些傳感器封裝在超小型封裝中也是可取的。柔性封裝是對可穿戴設備和醫療應用非常重要的另一個新興領域。

靠近傳感器的計算和智能處理對能效和延遲至關重要，而硬件和軟件的共同優化則是合作的重要載體。TinyML (www.tinyml.org) 是傳感器和執行器領域另一個快速發展的領域。該領域包括靠近邊緣設備或邊緣設備上的硬件、算法和軟件。例如，它可能位於物聯網數據管理和計算解決方案邊緣的傳感器上。通常情況下，傳感器數據的 ML 推斷在本地完成，耗電量約爲 1mW。

未來十年，隨着 TinyML 在物聯網中的普及和發展，人們關注的關鍵領域將包括低功耗喚醒電路、與使用先進硅節點制造的硅集成的非易失性存儲器，以及以毫瓦級功率預算有效利用有限內存/計算資源的 ML 算法。

硅光子技術有望爲傳感、互連、通信和計算等多種應用擴展頻率和帶寬。用於健康/醫療傳感（包括血糖檢測、血壓和心髒病標記）的先進光學傳感器以及用於汽車應用（如激光雷達）的傳感器帶來了重要的發展機遇。這些傳感器面臨的一個重要問題是如何達到同類解決方案的精度和可靠性。

要爲 ADAS（高級駕駛輔助系統）激光雷達系統提供真正的固態光束轉向，需要進一步开發光學相控陣和光柵。固態光束轉向將降低成本、提高可靠性並縮小激光雷達掃描系統，所有這些都是實現 SAE 3 級及以上自動駕駛汽車量產所必需的。

量產汽車中的 ADAS 激光雷達系統還需要在硅片級集成帶有 OPA（光學相控陣）/光柵元件的發射器和帶有點雲處理功能的探測器。這些元件的集成最好通過元件的代碼設計和晶圓級混合鍵合或類似方法來實現。

使用傳感器數據的系統通常不會對其進行進一步的安全檢查，而會信任傳感器數據。因此，對傳感器設計用於解釋的物理現象進行操作可能會導致不希望發生的操作過程。例如，智能手機上的 MEMS 加速計可以通過簡單地播放含有不易聽到的聲音的 YouTube 視頻來測量步數。甚至還可以用這種方法傳遞信息。例如，通過激光照射窗戶，犯罪分子可以向聲控系統注入命令。

因此，集成微機電系統（MEMS）設備的安全問題是一個需要解決的挑战，以防止惡意篡改數據。MEMS 也可以成爲安全解決方案的一部分，因爲 MEMS 設備可用作保護電路免遭篡改的物理安全機制的一部分。

傳感器制造和設計的趨勢包括：

用與 CMOS 兼容的基於 MEMS 的諧振器取代晶體振蕩器，以實現新的架構、更高的性能和去除片外無源元件。
在手持超聲波等應用中使用壓電 MEMS 傳感器和致動器，以及改進和微型化揚聲器和麥克風。
採用一整套技術，利用新的低成本材料和制造技術，大批量生產成本更低的傳感器，同時爲關鍵任務（如全球定位系統導航）制造高精度的傳感器。
在服裝和織物中安裝傳感器，創造新的時尚類別，與基於手機、戒指、體貼和手表的傳感器競爭。許多創新技術還具有軍事用途。織物傳感器對互聯性、可靠性和耐用性提出了新的要求。
微機電系統推動了量子計算的進步，因爲微機電系統結構用於實現量子比特與外界的通信。

與許多電子產品不同，傳感器的制造工藝多種多樣，通常針對特定的應用或傳感器類型。根據傳感器的不同，它可能需要开放以感知周圍環境，同時還要防止不必要的環境影響。有些傳感器則更適合密封封裝。滿足特定傳感器結構的獨特封裝需求的關鍵因素包括採用不同制造技術制造的傳感器的封裝，以及在柔性基板上結合柔性和剛性傳感器。一個與之競爭的趨勢是，在某些應用中，傳感器封裝解決方案已开始實現標准化，從而提高了供應鏈的效率。

傳感器與相關電子設備的集成有多種方式。傳感器可以通過特殊的兼容工藝與電子元件構建在同一芯片上，也可以作爲後置工藝創建在 CMOS 上/下，或者作爲獨立芯片組合在一起。微機電系統（MEMS）也可以從 CMOS 堆棧中分離出來，一些研究人員甚至將鰭片結構作爲傳感元件的基礎。分離芯片或後處理可以使用先進的 CMOS 節點和優化的 MEMS 工藝。這些不同的集成策略對封裝、材料選擇、制造和組裝都有影響。在可預見的未來，上述每種策略都會有自己的優勢。

在集成和具有功率/面積效率的光-電-光轉換和接口方面仍然存在挑战。要擴大這項技術的應用範圍，就必須應對這些挑战。

通信未來的發展趨勢

集成光子技術將極大地改善通信基礎設施。預計在未來五年內，信道符號率將輕松超過 100 千兆波特，用於光纖通信的集成光子學收發器模塊的聚合帶寬將達到 3.2 至 6.4 Tbits/s。對提高帶寬和能效的迫切要求將推動數據中心的架構從可插拔光學器件過渡到協同封裝光學器件（CPO），從而推動從銅纜過渡到更短距離（1 米以下）的光纖。

必須強調的是，如果不使用密集波分復用技術（DWDM，或類似的復用方法）在單根光纖上放置多個光通道，就無法充分利用光纖的巨大帶寬（通過光子技術實現帶寬密度的數量級增長）。在專用集成電路上成功實施 DWDM 或相幹技術，還可以在給定光纖帶寬的情況下，在信道數據速率與信道數量之間進行權衡。這種權衡可以提高能效，降低系統成本。未來幾年，隨着光子互聯帶寬密度的提高及其應用的普及，降低整個光學系統的能耗、每比特成本和延遲（尤其是人工智能/移動計算應用）將變得更加重要。使用短、低損耗通道將光學器件封裝在靠近 ASIC 和其他計算集成電路的位置，將有助於提高部分能效和帶寬，從而實現大規模系統的低功耗電光轉換和高帶寬數據傳輸。

目前，模擬光子鏈路用於簡化毫米波節點集成電路架構，可使每個芯片的天线數量達到 1000 根以上。模擬光子鏈路還大大提高了工藝中的節能效果，其能效遠遠高於信號鏈中的數字鏈路。

在通信應用方面，還有大量電磁頻譜尚未开發。要充分利用這一巨大的未开發頻譜，就需要技術創新。創新的半導體技術，如基於 SOI/SiGe 的光子技術、VCSEL、微型 LED、雪崩光電二極管和基於 InP 的 PIC，將提供先進的工藝平台，實現未來帶寬和功率的諸多改進。

在微機電系統領域，光开關正在取代 OEO 开關。基於微機電系統的可調濾波器和電容器、射頻开關以及上述微機電系統諧振器正在實現新的架構和更高的集成度，從而減少了佔地面積並簡化了封裝。這些新型元件爲通信電路和系統設計开創了一個全新的時代。利用 MEMS 實現通信元件的可調諧性、對准和校准，還能提高規格。

計算與內存

光子學爲解決高性能和數據中心計算系統在持續擴展數據移動過程中的功率和帶寬瓶頸問題提供了重要機遇。新型高速、低功耗收發器、光源、波導/調制器和光電探測器是集成光子學的一些基本構件--在這一領域，可持續的尺寸可擴展性仍然是一個關鍵挑战。光子技術爲低功耗、高速 I/O 和光子互連結構提供了機遇。此外，光子設備已被證明可以進行某些數學運算，如矩陣矢量乘法。

通過在處理器（CPU/GPU/FPGA/ASIC）附近以及從處理器到存儲器的鏈路中實現光子集成，可以利用光傳輸與銅傳輸相比所具有的巨大帶寬和低損耗優勢，將帶寬密度提高 >100倍，能效提高 >10倍，並在全系統範圍內擴展封裝級性能。

光鏈路可提供高能效、低延遲的互連，實現網絡、計算和內存的分解。這將利用與 ASIC/CPU/GPU 共同封裝的光學器件，並使用光通信標准來連接超大規模數據中心中跨機架的計算和內存。

人工智能加速器和神經形態計算是推動更高壓縮比的其他令人興奮的領域，與先進的 2.5D/3D 封裝集成相結合，在提高能效方面具有巨大潛力。目前正在探索光基人工智能加速器，該領域投資的增加可能會對 PIC 路线圖提出更多要求。用於量子計算的硅光子技術的研發投資也在增加，這需要新的材料和工藝。

基於 MEMS 的產品需要更多的板載計算，以生產出更智能的傳感器。MEMS 制造商已 "向食物鏈上遊移動"，不再局限於提供原始傳感器輸出。如今，典型的 MEMS 傳感器可提供智能動作或其他經過處理的數據。這是智能邊緣處理趨勢的一部分。計算與傳感相結合的架構正在發生迅速變化，影響着 CMOS-MEMS 集成和先進封裝。

用於光子學和微電子機械系統的

新材料和新工藝

爲了實現更高的性能和更高的集成密度，創新的半導體工藝平台包括基於 SOI/ Ge 的光子學；通過外延生長、晶圓/晶粒鍵合或激光腔內連接將 III-V 材料集成到硅晶圓上，用於光源、調制器和探測器；以及基於等離子體色散效應以外的物理效應（等離子體、石墨烯）的有源器件。

用於混合集成的鈮酸鋰和鈦酸鋇薄膜是高頻調制的促進因素，而利用三維打印技術實現激光封裝互連的光子线鍵是需要進一步研究的其他領域。高帶寬、低傳輸損耗和低功耗的芯片到芯片光互連預計也需要在基板/PCB 的嵌入式波導方面取得進展。重要的是要確保低成本、高可靠性的光子材料，在長時間和寬溫度範圍內保持穩定的性能，同時還要保持低熱滯後和低損耗特性，從而要求低總體能耗。

對於某些傳感器和致動器，在提高慣性傳感器性能和射頻濾波器功率處理能力的同時，還需要進行 CMOS 兼容擴展，因此需要探索鎢或其他高原子質量金屬等新材料，以減少總體佔用空間。此外，還在探索基於氮化鋁的 CMOS 兼容平台。此外，還在研究具有更高力密度和线性度的新型壓電和相變記憶傳感器。這些用於傳感器和執行器的新型材料反過來又會引發需要溫度和溼度控制的封裝材料和技術的創新。

慣性傳感器的兩個重要材料驅動因素是防止機械裝置粘在基板上的能力，以及具有良好 CTE 匹配的材料組，以防止不必要的彎曲和應力，特別是封裝產生的彎曲和應力。這些傳感器還需要改進的低成本獲取材料以及抗磨損、抗粘連、抗腐蝕和消除電荷的塗層。對於化學傳感器，材料的要求是以可重復和穩定的方式促進化學反應。聲學傳感器/執行器材料（如麥克風/揚聲器）的一些要求是促進受控運動，以產生、移動和檢測聲音。

由於這些設備必須承受大量的循環，因此 MEMS 材料的一個關鍵特點是其變形可預測且不會疲勞。光學傳感器/執行器材料包括那些能產生平整、反射表面、不易變形並具有適當光學特性的材料。在射頻微機電系統开關中，开發可靠的接觸材料仍然非常重要。

在光子學和微電子機械系統應用中，有幾種新興的下一代材料值得關注，應考慮將其批量生產。需要开展前驅體表徵工作，以便將這些材料集成到半導體制造中，並开發自動化前端制造設備來應用或去除這些材料。下表 6.1 列出了一些例子。

技術現狀/產品實例

將光子技術引入集成電路封裝的努力已經开始。近年來，一些顯示從獨立收發器過渡到 CPO 或爲 CPO 設計的光學引擎的初始產品已得到展示。

圖 6.1 和 6.2 舉例說明了這些早期 CPO 產品。圖 6.1 顯示的是 Ranovus Odin 光收發器，工作頻率爲 896Gbps，與 AMD/Xilinx 的 Versal FPGA 集成在同一封裝基板上。它在 2022 年的光纖通信 (OFC) 會議上進行了演示。圖 6.2 展示了 Ayar Labs 的 TeraPHY 光收發器與數據處理集成電路的集成。這些 TeraPHY 採用 8λ 波分復用技術（WDM），由 8λ 光源--超級新星（SuperNova）提供支持。

最先進的 MEMS 產品將多個傳感器與電子元件結合在一起，提供由板載低功耗電子元件處理的高級輸出，這些電子元件通常集成了人工智能和高級校准功能。博世、意法半導體、Invensense、模擬器件、德州儀器等公司的產品都帶有 API，可隨時插入系統。新興 MEMS 產品融合了傳感器/執行器制造技術、材料和設計方面的進步。以下是一些新興產品的例子：

基於微機電系統的揚聲器
可感應多種物質的化學傳感器
用於手持成像儀器的超聲陣列
可與 CMOS 集成的 BAW 器件

圖 6.3 舉例說明了最先進的 MEMS 產品。圖中顯示的是 eXo Imaging 公司的低壓 pMUT 陣列芯片：Exo Silicon。Exo Silicon 融合了壓電晶體久經考驗的卓越成像性能和硅的經濟性。每個芯片包含 4096 個獨立控制的 pMUT，具有大帶寬、無與倫比的靈敏度和高達 150 度的超寬視場。Exo 的硅架構可實現成像質量的快速提升，並提供實時人工智能功能，可對每一幀圖像進行分析，引導用戶立即找到答案。展望未來，pMUT 技術將實現強大的 3D 成像，並有可能實現 4D 成像。護理人員將能更好地觀察病人，更快地做出診斷。

現有技術的局限性

光通信並非新鮮事物。半個多世紀前，隨着光纖制造技術的成熟和基於 III-V 技術的光發射器和探測器的出現，光收發器在長距離數據傳輸中的作用迅速擴大--這要歸功於玻璃纖維的低損耗、低色散和寬帶寬特性。技術的進步和多樣化使成本大幅下降，從而使光收發器在接入和客戶端應用中得到廣泛應用。

與此同時，20 世紀 90 年代 DWDM 技術和摻鉺光纖放大器（EDFA）的出現徹底改變了長途網絡，爲信息高速公路奠定了基礎。多年來，光收發器從定制設計設備發展到板載模塊，再到大量多源協議指定的小尺寸（SFF）插拔式光收發器。這些獨立的可插拔收發器在當今的數據中心中發揮着不可或缺的作用。

然而，隨着數據量和數據處理集成電路計算能力的持續增長，獨立收發器很快就會成爲高帶寬數據傳輸的瓶頸。安裝在面板上的收發器總數可能無法爲线路卡上的數據處理單元或數據交換機提供足夠的帶寬。當數據傳輸速率提高到 100 Gigabaud 或更高時，從信號完整性的角度來看，集成電路的串行數據交換器與光收發器數據輸入引腳之間的銅线損耗將成爲一個挑战。因此，CPO 在這種情況下提供了一個很好的替代方案，也是打破這一物理障礙，同時繼續降低整體系統功耗和成本的一個令人信服的選擇。

將光學收發器置於同一封裝內，可以解決信號完整性問題，因爲這樣就可以用更短、損耗更低的互連器件和潛在的直接驅動光學器件消除线路卡上的長銅线。然而，要真正克服帶寬密度瓶頸，我們可能需要爲長距離/長距離收發器引入 DWDM 技術，同時保持短距離同封裝光 Ioss 機制。

由於 MEMS 設備通常需要定制工藝，因此很難創建類似 CMOS 的高度標准化平台。例如，磁傳感器可能需要慣性傳感器不需要的材料。一些制造商試圖提供在同一芯片上制造多種類型傳感器的制造工藝，但成本和性能驅動因素往往決定了定制工藝。因此，必須對 MEMS 器件制造工藝及其相關封裝進行編碼設計。

另一個限制因素是沒有像 CMOS 那樣的原始元件，即晶體管。測試方法往往是傳感器工作原理或應用所獨有的，因此測試和裝配基礎設施、生態系統和供應鏈比電子產品更爲復雜。雖然在這些領域已經取得了很大進展，但這些問題仍然限制了 MEMS 技術的廣泛應用，使基於 MEMS 的產品的上市時間成爲一個問題。隨着微機電系統市場的持續快速增長，將會有更多的供應商推出微機電系統產品，情況將會有所改善。