JP2006523428A - 対面した半導体チップ間の光通信 - Google Patents

Abstract

本発明の一実施形態によって、光シグナリングを介して第１の半導体ダイと第２の半導体ダイとの間を通信するシステムが提供される。動作中において、そのシステムは、第１の半導体の面上に配置された電気−光変換器を用いて電気信号を光信号に変換する。そこで、第１の半導体ダイにおいて生成された光信号が第２の半導体ダイに照射するように、第１の半導体ダイと第２の半導体ダイとが対面するように配向されている。第２の半導体ダイの面上において光信号を受信するときにおいて、そのシステムは、第２の半導体ダイの面上に配置された光−電気変換器を用いて、光信号を、対応する電気信号に変換する。

Description

本発明は、集積回路チップ間の通信技術に関する。より詳しくは、本発明は、対面に配置された集積回路チップ間の光シグナリングを介した通信方法および装置に関する。

今日の半導体技術の進歩によって、数百万個のトランジスタを含む大規模なシステムを単一の半導体チップに集積することが可能になった。そのような大規模なシステムを単一の半導体チップに集積することによって、そのようなシステムが動作し得る速度が上がる。その理由は、システム要素間の信号が、チップの境界を横切る必要がなく、冗長なチップ間の伝播遅延を受けないためである。さらに、大規模なシステムを単一の半導体チップに集積することによって、製造コストが顕著に低減される。その理由は、所定の計算タスクを実行するために必要とされる半導体チップの数がより少ないためである。

あいにく、半導体技術のこれらの進歩は、対応するチップ間通信技術の進歩と調和していなかった。通常、半導体チップは、チップ間通信用の信号ラインの複数の層を含むプリント回路基板に集積される。しかし、半導体チップ上の信号ラインは、プリント回路基板上の信号ラインよりも、約１００倍高密度に充填される。従って、半導体チップ上の信号ラインのわずかな部分のみが、プリント回路基板を越えて別のチップに経路付けされ得る。この問題によって、半導体集積密度が増大し続けるにつれ増大し続けるボトルネックが生じる。

研究者たちは、代替の半導体チップ間の通信技術を研究し始めた。有望な技術には、チップ間通信を容易にするために、容量性の送信側プレートおよび受信側プレートのアレイを半導体チップに集積することが含まれる。第１のチップ上の送信側プレートが第２のチップ上の受信側プレートに容量性結合されるように第１のチップが第２のチップに対面するように配置されている場合には、プリント回路基板内の間にある信号ラインを介して信号をルーティングする必要なしに第１のチップから第２のチップへと信号を直接送信することが可能になる。ワイヤーループを用いてチップ間の磁場を結合させることによる誘導性結合を介して、同様の態様の通信が可能になる。

あいにく、容量性結合および誘導性結合メカニズムによって、チップ間の距離のほぼ逆数だけ強度が低くなる。受信した信号の強度が低くなることによって、通信メカニズムの信頼性が低減され、受信側および送信側回路の複雑さ、電力、および面積が増す。さらに、容量性結合および誘導性結合メカニズムは、チップ間の距離とともに増加する隣接したチャネルからのクロストーク、すなわち有害な結合の影響を受ける。従って、容量性結合および誘導性結合メカニズムが効果的に動作し得るに十分な精度でシステムにチップを構築することは困難であり得る。

従って、上述した問題のない半導体チップ間の通信方法および装置が必要である。

本発明の一実施形態によって、光シグナリングを介して第１の半導体ダイと第２の半導体ダイとの間を通信するシステムが提供される。動作中において、そのシステムは、第１の半導体ダイの面上に配置された電気−光変換器を用いて電気信号を光信号に変換する。ここで、第１の半導体ダイ上に生成された光信号が第２の半導体ダイを照射するように、第１の半導体ダイおよび第２の半導体ダイは、対向するように配向される。第２の半導体ダイの面において光信号を受信したときにおいて、そのシステムは、第２の半導体ダイの面上に配置された光−電気変換器を用いて光信号を対応する電気信号に変換する。

この実施形態の一変更形態では、第１の半導体ダイ上に光信号を生成した後において、第２の半導体ダイ上に光信号を集光させるために、そのシステムは、光信号に、第１の半導体ダイの金属層内に配置された環部を通過させる。

この実施形態の一変更形態では、第１の半導体ダイ上に光信号を生成した後において、第２の半導体ダイ上に光信号を集光させるために、そのシステムはレンズを用いる。

この実施形態の一変更形態では、第１の半導体ダイ上に光信号を生成した後において、そのシステムでは、第１の半導体ダイが第２の半導体ダイと共面（ｃｏｐｌａｎａｒ）上にある必要なしに光信号が第２の半導体ダイを照射し得るように、鏡を用いて光信号を反射する。

この実施形態の一変更形態では、第１の半導体ダイ上に光信号を生成した後において、そのシステムは、光信号に、第１の半導体ダイと第２の半導体ダイとの間にはさまれたインターポーザを通過させる。このインターポーザには、光信号が第２の半導体ダイを照射するように光信号を指向させる１つ以上の光導波路が含まれる。

この実施形態の一変更形態では、上記電気−光変換器は、第１の半導体ダイ上に配置された複数の電気−光変換器の一要素（ｍｅｍｂｅｒ）であり、上記光−電気変換器は、第１の半導体ダイ上に配置された複数の光−電気変換器の一要素である。この変更形態では、複数の光信号が、第１の半導体ダイから第２の半導体ダイへと平行に送信され得る。

さらなる変更形態では、上記複数の電気−光変換器における複数の空間的に隣接した電気−光変換器は同一の信号を送信し、第１の半導体ダイの電動ステアリング回路は、Ｘ、ＹおよびΘ座標における機械的なずれを正すために、複数の空間的に隣接した電気−光変換器にデータを送る。

さらなる変更形態では、上記複数の光−電気変換器における複数の空間的に隣接した光−電気変換器は同一の信号を受信し、第２の半導体ダイの電動ステアリング回路は、Ｘ、ＹおよびΘ座標における機械的なずれを正すために、複数の空間的に隣接した光−電気変換器にデータを送る。

この実施形態の一変更形態では、電気−光変換器は、ツェナーダイオード、発光ダイオード（ＬＥＤ）、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、またはアバランシェ降伏ＰＮダイオードであり得る。

この実施形態の一変更形態では、光−光変換器は、ＰＮダイオード光検出器、またはＰＩＮダイオード光検出器であり得る。

以下の説明は、当業者が本発明を行い用いることができるように提示され、特定の用途およびその必要条件との関連で提供される。開示される実施形態への様々な修正は、当業者には容易に理解できるであろう。また、本明細書において定義される一般原則は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、別の実施形態および用途に適用さえ得る。従って、本発明は、示される実施形態に限定されないが、本発明が、本明細書に開示される原理および特徴と整合した最も広い範囲に一致するべきである。
（チップ間通信用配置）
図１では、その角において対向しオーバーラップする領域を介して互いに通信するように、チップ１０１〜１１３が配置されている。この配置では、各チップは隣接する４つのチップと通信し得る。対面通信を容易にする多くの別の配置は当業者には明らかである、ということに留意されたい。

本発明の一実施形態では、図１に示されたチップの配置はコンピュータシステムを含み、ここで、少なくとも１つのチップ（例えばチップ１０４）が１つ以上のプロセッサを含み、隣接するチップ１０１、１０２、１０６および１０７は、チップ１０４内の１つ以上のプロセッサと通信する回路を含む。

図２Ａおよび図２Ｂには、近接型通信を介して互いに通信する２つのチップ１０１と１０４とが示されている。図２Ａに示されるように、チップ１０１と１０４とは、チップ１０１のアクティブ面がチップ１０４のアクティブ面に面しそれらがオーバーラップするように、配置される。（用語「アクティブ面」はアクティブな回路を含む集積回路の面を参照する、ということに留意されたい。）オーバーラップした領域は、「通信領域２０２」と称される。それを介して、光信号を用いて送信側回路と受信側回路とが通信する。

図２Ｂに示されるように、通信領域２０２は、チャネル２０４を含めた複数の通信チャネルを含む。近接型通信の１つのモチベーションは、今日の細かいラインのチップのリソグラフィの特徴を用いることによって、互いに近接するように送信側チャネルと受信側チャネルを近づけるように充填することである。オフチップの接続および配線方法（例えば、ワイヤーボンド、ボールグリッドアレイ、および回路基板トレース）は、１００ミクロンのオーダーのピッチを有し、その一方で、オンチップワイヤリングは１ミクロンよりも小さいピッチを有し得る。従って、近接型通信チャネルを非常に密接したピッチ（例えば、５〜３０ミクロンのオーダー）に充填し得る。密接したピッチにチャネルを充填することによって、チップ間における高バンド幅の通信が可能になるが、必要な配置の許容範囲を満たすという課題が生じる。

図３は、チップＡの平坦な面とチップＢの平坦な表面との配置の６つの座標を示す。Ｘ、Ｙ、およびΘ座標における誤配置によって、チップ表面間のずれおよび回転が生じる。

図４に示されるように各チャネルに対して送信部、受信部、または送信部と受信部とをチャネル要素のアレイ（これを「マイクロパッド」と称する）に細分することによって、チップ表面間の機械的誤配置（ずれまたは回転）を正すことができる。Ｘ、Ｙ、およびΘ座標における機械的誤配置を正すために、電子ステアリング回路を用いることによってマイクロパッドへのデータおよびマイクロパッドからのデータを指向し得る。

しかし、この技術では、Ｚ、Ψ、およびΦ座標における機械的誤配置を正すことはできない。Ｚ、Ψ、およびΦ座標における誤配置によって、チップ間にギャップが生じ、チップが離れるので、信号強度が低減される。さらに、チップ間隔が増大するので、クロストークが顕著に増大する。

本発明の一実施形態では、近接型通信に光シグナリング技術を用いる。容量性結合または誘導性結合技術と比べて、光シグナリング技術では、Ｚ方向の距離の変化に伴う減少が緩やかでありかつ生じるクロストークが少ない集光された光またはコヒーレント光を用いることが出来る。従って、光シグナリングは、チップ間のギャップ（換言するとＺ方向の距離）に対する感度を下げ得る。

図４に示されているように、チャネル２０４は、１つ以上のチャネル要素（例えばチャネル要素４０２）を含み得る。より詳しくは、チャネル２０４は、チャネルの送信側端部用の電気−光変換器要素を１つ以上含み得、また、チャネルの受信側端部用の光−電気変換器要素を１つ以上含み得る。電気−光変換器要素の例には、発光ダイオードと、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）とが含まれる。光−電気変換器要素の例には、ＰＮダイオードまたはＰＩＮダイオードが含まれる。発光ダイオードおよびＰＮダイオードを作成するために、標準的なＣＭＯＳ製造技術が用いられ得る。しかし、ＶＣＳＥＬおよびＰＩＮダイオードには、それぞれ、３−５材料（例えばガリウム砒素）またはＣＭＯＳプロセスにおける特別な製造ステップを用いる製造が必要である。

信号対ノイズ比を増大させるために、各チャネルの光エネルギーの大部分がチャネル内にとどまるように、回路の送信側端部からの光を受信側端部へと指向させることが望ましい。この指向プロセスを光の「集光」と称する。

図５は、光を集光させるオンチップメカニズムを示す。図５では、環状リング５０２が光源５０４を囲んでいる。光エネルギーは、光源５０４から環状リング５０２の開口部の制限されたパスを介するように指向され、それによって、光エネルギーの横方向への広がりが低減される。図６に示されるように、ビームをさらに集中させるために、環状リングの構造が複数のチップメタライゼーション層上で繰り返され得る。

図７Ａ、図７Ｂ、および図７Ｃは、チャネルの送信側端部からの光を受信側端部へと指向させる３つのオフチップメカニズムを示す。図７Ａはラインオブサイトの光路を示し、そこでは、チップは、送信された光ビームが受信構造に当たるようにシンプルに配置されている。図７Ｂは集光された光路を示し、そこでは、送信された光を集光するためにレンズ構造７０２を用いる。この集光された光路のメカニズムは複雑であるが、光ビームの広がりを補償する。図７Ｃは反射された光路のメカニズムを示し、そこでは、チャネルの送信側端部および受信側端部が共面内にないことを可能にするために反射器（例えば鏡７０４）を用いる。反射された経路のメカニズムが、集光された経路の方法と組み合わされ得る、ということに留意されたい。

図８は、インターポーザ８０２を用いる別のオフチップメカニズムを示し、それには、チャネルの送信側端部からの光を受信側端部へと指向させる埋込み式光導波路のアレイが含まれる。典型的な光導波路には、２つ以上の屈折率を有する光学的に透明な材料が含まれる。光導波路におけるチャネルは、チャネル内の光が光導波路の壁に反射しチャネル内に閉じ込められたままであるように、周りを囲む被覆材料よりも高い反射率を有する。

図９は、本発明の一実施形態による光シグナリングを介したチップ間の通信プロセスを示すフローチャートである。このプロセスは、第１の半導体ダイ上に配置された電気−光変換器を介して電気信号が光信号へと変換されるときに開始される（ステップ９０２）。次いで、光信号は、図５、図６、図７Ａ〜図７Ｃ、および図８に対して説明した任意の技術を用いて、第２の半導体ダイ上に指向される（ステップ９０４）。最後に、第２の半導体ダイ上に配置された光−電気変換器を介して、光信号が、対応する電気信号に変換される（ステップ９０６）。

本発明の実施形態についての上記説明は、例示および説明のみを目的として示したものである。それらは、限定（すなわち、開示した形態への本発明の限定）を意図したものではない。当業者には多くの改変および変更は明らかであろう。さらに、上記の開示は、本発明を限定することを意図したものではない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。

本発明の一実施形態による、対面シグナリングを介して通信する集積回路のチェックボードパターンを示す。 本発明の一実施形態による対面チップの断面図を示す。 本発明の一実施形態による対面チップの通信領域を示す。 本発明の一実施形態による半導体チップ間の６つの位置関係を示す。 本発明の一実施形態によって通信チャネルが複数のチャネル要素を含み得る態様を示す。 本発明の一実施形態によって光ビームを指向させるオンチップの金属構造を示す。 本発明の一実施形態によって光ビームを指向させるオンチップの金属構造の斜視図を示す。 本発明の一実施形態によるラインオブサイトの光路を示す。 本発明の一実施形態による集光された光路を示す。 本発明の一実施形態による反射された光路を示す。 本発明の一実施形態による光導波路のアレイを含むインターポーザを示す。 本発明の一実施形態による光シグナリングを介したチップ間の通信プロセスを示すフローチャートを示す。

Claims (30)

1. 光シグナリングを介した第１の半導体ダイと第２の半導体ダイとの間の通信方法であって、
   該第１の半導体ダイの面上に配置された電気−光変換器を用いて電気信号を光信号に変換することであって、該第１の半導体ダイ上に生成された該光信号が該第２の半導体ダイを照射するように、該第１の半導体ダイと該第２の半導体ダイとが対面するように配向されている、ことと、
   該第２の半導体ダイの面上において該光信号を受信することと、
   該第２の半導体ダイの該面上に配置された光−電気変換器を用いて、該光信号を、対応する電気信号に変換することと
   を包含する、方法。
2. 前記第１の半導体ダイ上に前記光信号が生成された後において、該光信号に、該第１の半導体ダイ上の金属層に配置された環部を通過させることによって、該光信号を前記第２の半導体ダイに集光させることをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の半導体ダイ上に前記光信号が生成された後において、レンズを用いて前記第２の半導体ダイに該光信号を集光させることをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１の半導体ダイ上に前記光信号が生成された後において、該第１の半導体ダイが前記第２の半導体ダイと共面上にある必要なしに該光信号が該第２の半導体ダイを照射し得るように、鏡を用いて該光信号を反射することをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
5. 前記第１の半導体ダイ上に前記光信号が生成された後において、該光信号に、該第１の半導体ダイと前記第２の半導体ダイとの間にはさまれたインターポーザを通過させることをさらに包含し、該インターポーザは、該光信号が該第２の半導体ダイを照射するように該光信号を指向させる１つ以上の光導波路を含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記電気−光変換器が、前記第１の半導体ダイ上に配置された複数の電気−光変換器の一要素であり、前記光−電気変換器が、該第１の半導体ダイ上に配置された複数の光−電気変換器の一要素であり、それによって複数の光信号が該第１の半導体ダイから前記第２の半導体ダイへと平行に送信され得る、請求項１に記載の方法。
7. 前記複数の電気−光変換器における複数の空間的に隣接した電気−光変換器は同一の信号を送信し、前記第１の半導体ダイの電動ステアリング回路は、該複数の空間的に隣接した電気−光変換器にデータを送ることによって、Ｘ、ＹおよびΘ座標における機械的なずれを正す、請求項６に記載の方法。
8. 前記複数の光−電気変換器における複数の空間的に隣接した光−電気変換器は同一の信号を受信し、前記第２の半導体ダイの電動ステアリング回路は、該複数の空間的に隣接した光−電気変換器にデータを送ることによって、Ｘ、ＹおよびΘ座標における機械的なずれを正す、請求項６に記載の方法。
9. 前記電気−光変換器は、ツェナーダイオードと、発光ダイオード（ＬＥＤ）と、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）と、アバランシェ降伏ＰＮダイオードとのうちの１つを含む、請求項１に記載の方法。
10. 光−光変換器は、ＰＮダイオード光検出器と、ＰＩＮダイオード光検出器とのうちの１つを含む、請求項１に記載の方法。
11. 光シグナリングを介した半導体チップ間の通信用装置であって、
    第１の半導体ダイと、
    第２の半導体ダイと、
    電気信号を光信号に変換するように構成され、該第１の半導体ダイの面上に配置された電気−光変換器であって、該第１の半導体ダイ上に生成された該光信号が該第２の半導体ダイを照射するように、該第１の半導体ダイと該第２の半導体ダイとが対面するように配向されている、電気−光変換器と、
    該第１の半導体ダイから受信した該光信号を、対応する電気信号に変換するように構成され、該第２の半導体ダイの面上に配置された光−電気変換器と
    を備える、装置。
12. 前記光信号を前記第２の半導体ダイに集光させるように構成され、該第１の半導体ダイ上の金属層に配置された環部をさらに備える、請求項１１に記載の装置。
13. 前記第２の半導体ダイに前記光信号を集光させるように構成されたレンズをさらに備える、請求項１１に記載の装置。
14. 前記第１の半導体ダイが前記第２の半導体ダイと共面上にある必要なしに前記光信号が該第２の半導体ダイを照射し得るように、該光信号を反射するように構成された鏡をさらに備える、請求項１１に記載の装置。
15. 前記第１の半導体ダイと前記第２の半導体ダイとの間にはさまれたインターポーザをさらに備え、該インターポーザは、前記光信号が該第２の半導体ダイを照射するように該光信号を指向させる１つ以上の光導波路を含む、請求項１１に記載の装置。
16. 前記電気−光変換器が、前記第１の半導体ダイ上に配置された複数の電気−光変換器の一要素であり、前記光−電気変換器が、該第１の半導体ダイ上に配置された複数の光−電気変換器の一要素であり、それによって複数の光信号が該第１の半導体ダイから前記第２の半導体ダイへと平行に送信され得る、請求項１１に記載の装置。
17. 前記複数の電気−光変換器における複数の空間的に隣接した電気−光変換器は同一の信号を送信し、前記第１の半導体ダイの電動ステアリング回路は、該複数の空間的に隣接した電気−光変換器にデータを送ることによって、Ｘ、ＹおよびΘ座標における機械的なずれを正す、請求項１６に記載の装置。
18. 前記複数の光−電気変換器における複数の空間的に隣接した光−電気変換器は同一の信号を受信し、前記第２の半導体ダイの電動ステアリング回路は、該複数の空間的に隣接した光−電気変換器にデータを送ることによって、Ｘ、ＹおよびΘ座標における機械的なずれを正す、請求項１６に記載の装置。
19. 前記電気−光変換器は、ツェナーダイオードと、発光ダイオード（ＬＥＤ）と、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）と、アバランシェ降伏ＰＮダイオードとのうちの１つを含む、請求項１１に記載の装置。
20. 光−光変換器は、ＰＮダイオード光検出器と、ＰＩＮダイオード光検出器とのうちの１つを含む、請求項１１に記載の装置。
21. 光シグナリングを介して相互に通信する複数の半導体チップを含むコンピュータシステムであって、
    １つ以上のプロセッサを含む第１の半導体ダイと、
    該１つ以上のプロセッサと通信する回路を含む、第２の半導体ダイと、
    電気信号を光信号に変換するように構成され、該第１の半導体ダイの面上に配置された電気−光変換器であって、該第１の半導体ダイ上に生成された該光信号が該第２の半導体ダイを照射するように、該第１の半導体ダイと該第２の半導体ダイとが対面するように配向されている、電気−光変換器と、
    該第１の半導体ダイから受信した該光信号を、対応する電気信号に変換するように構成され、該第２の半導体ダイの面上に配置された光−電気変換器と
    を備える、コンピュータシステム。
22. 前記光信号を前記第２の半導体ダイに集光させるように構成され、該第１の半導体ダイ上の金属層に配置された環部をさらに備える、請求項２１に記載のコンピュータシステム。
23. 前記第２の半導体ダイに前記光信号を集光させるように構成されたレンズをさらに備える、請求項２１に記載のコンピュータシステム。
24. 前記第１の半導体ダイが前記第２の半導体ダイと共面上にある必要なしに前記光信号が該第２の半導体ダイを照射し得るように、該光信号を反射するように構成された鏡をさらに備える、請求項２１に記載のコンピュータシステム。
25. 前記第１の半導体ダイと前記第２の半導体ダイとの間にはさまれたインターポーザをさらに備え、該インターポーザは、前記光信号が該第２の半導体ダイを照射するように該光信号を指向させる１つ以上の光導波路を含む、請求項２１に記載のコンピュータシステム。
26. 前記電気−光変換器が、前記第１の半導体ダイ上に配置された複数の電気−光変換器の一要素であり、前記光−電気変換器が、該第１の半導体ダイ上に配置された複数の光−電気変換器の一要素であり、それによって複数の光信号が該第１の半導体ダイから前記第２の半導体ダイへと平行に送信され得る、請求項２１に記載のコンピュータシステム。
27. 前記複数の電気−光変換器における複数の空間的に隣接した電気−光変換器は同一の信号を送信し、前記第１の半導体ダイの電動ステアリング回路は、該複数の空間的に隣接した電気−光変換器にデータを送ることによって、Ｘ、ＹおよびΘ座標における機械的なずれを正す、請求項２６に記載のコンピュータシステム。
28. 前記複数の光−電気変換器における複数の空間的に隣接した光−電気変換器は同一の信号を受信し、前記第２の半導体ダイの電動ステアリング回路は、該複数の空間的に隣接した光−電気変換器にデータを送ることによって、Ｘ、ＹおよびΘ座標における機械的なずれを正す、請求項２６に記載のコンピュータシステム。
29. 前記電気−光変換器は、ツェナーダイオードと、発光ダイオード（ＬＥＤ）と、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）と、アバランシェ降伏ＰＮダイオードとのうちの１つを含む、請求項２１に記載のコンピュータシステム。
30. 光−光変換器は、ＰＮダイオード光検出器と、ＰＩＮダイオード光検出器とのうちの１つを含む、請求項２１に記載のコンピュータシステム。

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