Making a photonic chipChế tạo chip quang tử

The photonic chips inside NVIDIA’s newest network switches come off a factory line nearly twenty years behind the most advanced one. That is no accident: photonics does not need the newest factories.

Những chip quang tử (photonic integrated circuit) trong các bộ chuyển mạch mới nhất của NVIDIA ra đời từ một dây chuyền đi sau dây chuyền tiên tiến nhất gần hai mươi năm. Đó không phải chuyện ngẫu nhiên: quang tử học (photonics) không cần đến những nhà máy mới nhất.

A finished design is still only a file. This chapter follows that file into the factory: the materials the chip is made from, the layers grown to make light, the steps that pattern the wafer, and the testing and packaging that turn it into a part. Along the way it shows why an older line is enough.

Một bản thiết kế đã hoàn tất vẫn mới chỉ là một file. Chương này theo chân file ấy vào nhà máy: con chip làm từ những vật liệu gì, người ta nuôi các lớp tạo ra ánh sáng ra sao, những bước nào khắc hình lên wafer, rồi khâu kiểm thử và đóng gói biến nó thành một linh kiện dùng được. Dọc đường, chương này lý giải vì sao một dây chuyền dùng quy trình đã hoàn thiện vẫn đủ dùng.

In this chapter

Trong chương này

• What photonic chips are made from, and what each material is good for
• How the layers that give off light are grown, and why their wafers are small
• How the factory patterns the wafer with the same steps as for electronic chips, on older lines
• Why light does not need the smallest features a factory can print
• What testing and packaging add when the signal is light
• Where the field stands, and why that leaves room for newcomers

• Chip quang tử làm từ những vật liệu gì, và mỗi loại giỏi việc gì
• Các lớp phát sáng được nuôi lên ra sao, và vì sao wafer của chúng lại nhỏ
• Nhà máy khắc hình lên wafer ra sao, bằng chính các bước làm chip điện tử nhưng trên dây chuyền dùng quy trình đã hoàn thiện
• Vì sao ánh sáng không cần những chi tiết nhỏ nhất mà nhà máy in được
• Khâu kiểm thử và đóng gói thêm những gì khi tín hiệu là ánh sáng
• Ngành này đang ở đâu, và vì sao vẫn còn chỗ cho người đi sau

Each color of light needs its own material

Mỗi màu ánh sáng cần một vật liệu riêng

Chapter 3 showed that every application needs light of its own wavelength, and so a material of its own. Making the chip therefore starts with making the right material, which is why photonics uses far more materials than electronics does.

Chương 3 đã cho thấy mỗi ứng dụng cần ánh sáng ở một bước sóng riêng, và vì thế cần một vật liệu riêng. Muốn làm ra con chip, trước hết phải làm ra đúng loại vật liệu, và đó là lý do quang tử học dùng nhiều vật liệu hơn hẳn ngành điện tử.

Since the first lasers for optical fiber, light has mostly been made in compound semiconductors: semiconductors built from two or more elements instead of one. The most common are the III-V semiconductors, which pair an element from group III of the periodic table with one from group V, such as indium phosphide (InP) and gallium arsenide (GaAs). Silicon photonics, building optical parts in silicon, has taken off only in the last twenty years or so.

Kể từ những chiếc laser đầu tiên dùng cho cáp quang, ánh sáng chủ yếu được tạo ra trong bán dẫn hợp chất (compound semiconductor), tức loại bán dẫn cấu thành từ hai nguyên tố trở lên chứ không phải một. Phổ biến nhất là nhóm bán dẫn III-V, ghép một nguyên tố thuộc nhóm III của bảng tuần hoàn với một nguyên tố nhóm V, như indium phosphide (InP) và gallium arsenide (GaAs). Silicon photonics, tức làm linh kiện quang bằng silicon, mới thực sự nóng lên trong khoảng hai mươi năm trở lại đây.

Each material earns its place by doing one job well:^{4.1, 4.2}

Mỗi vật liệu có chỗ đứng riêng nhờ làm thật tốt một việc:^{4.1, 4.2}

Growing the layers that make light

Nuôi các lớp vật liệu tạo ra ánh sáng

A laser cannot be cut from a lump of material. Its material has to be grown, one atomic layer on top of another, on a crystal base called a wafer. The layers are arranged so that when current flows through them, electrons combine and give off photons as efficiently as possible. This growing is called epitaxy, and it is done in sealed chambers by two main techniques: metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD), in which gases carry the elements onto a hot wafer, and molecular beam epitaxy (MBE), in which beams of atoms are fired at the wafer in a very high vacuum. What comes out is a stack of layers, the “epi stack”, ready to be made into devices.

Không thể đẽo một chiếc laser ra từ một khối vật liệu. Vật liệu của nó phải được nuôi lên, từng lớp nguyên tử chồng lên nhau, trên một đế tinh thể gọi là wafer. Các lớp sắp xếp sao cho khi dòng điện chạy qua, electron kết hợp và phát ra photon với hiệu suất cao nhất có thể. Quá trình nuôi này gọi là epitaxy, diễn ra trong các buồng kín bằng hai kỹ thuật chính. Với MOCVD (metal-organic chemical vapor deposition), các chất khí mang nguyên tố tới phủ lên wafer đang nóng. Với MBE (molecular beam epitaxy), người ta bắn các chùm nguyên tử vào wafer trong chân không rất cao. Kết quả là một chồng lớp vật liệu, gọi là “epi stack”, sẵn sàng để làm thành linh kiện.

The base these layers grow on is itself a limit. Compound-semiconductor wafers are far smaller than silicon ones. A smaller wafer yields fewer chips per run, and the tools built for it have had far less investment than those of the electronics industry.

Chính tấm đế cho các lớp ấy mọc lên cũng là một giới hạn. Wafer bán dẫn hợp chất nhỏ hơn wafer silicon nhiều. Wafer càng nhỏ thì mỗi mẻ càng ít chip, và thiết bị cho loại wafer ấy cũng nhận ít vốn đầu tư hơn hẳn so với thiết bị của ngành điện tử.

The fab steps are the same, but the lines are older

Vẫn là các bước chế tạo vi mạch, nhưng dùng quy trình đã hoàn thiện

With the material grown and the wafer ready, the work moves to a fab, and from here the steps are the same ones that make any integrated circuit. Lithography prints a pattern onto the wafer. Etching carves the pattern into the material. Deposition coats new material on top. The cycle repeats, layer after layer, the way a house goes up floor by floor. This wafer-scale repetition is what lets a set-up that once filled a lab bench, as chapter 2 described, shrink onto a chip a few millimeters wide.

Có vật liệu, có wafer rồi, công việc chuyển sang một nhà máy sản xuất chip (fab), và từ đây các bước giống hệt các bước làm ra bất kỳ vi mạch (integrated circuit) nào. Quang khắc in hình mẫu lên wafer. Bước khắc đục hình mẫu ấy vào vật liệu. Bước lắng đọng (deposition) phủ thêm lớp vật liệu mới lên trên. Chu trình ấy lặp đi lặp lại, lớp này nối lớp kia, như xây một ngôi nhà từng tầng một. Chính cách làm lặp lại trên cả tấm wafer này giúp một hệ thống từng chiếm trọn bàn thí nghiệm, như chương 2 đã kể, thu nhỏ lại trên một con chip rộng vài milimet.

What differs is where on the calendar those factories sit. A chipmaking line is described by its technology node, a generation label that once matched the size of the features it prints and is now mostly a name. Most photonic chips are made on mature lines, typically 45 to 130 nm processes, rather than on the leading-edge nodes used for processors. GlobalFoundries’ current silicon photonics platform, for example, is built on a 45 nm process.^4.5

Điều khác biệt nằm ở chỗ những nhà máy ấy thuộc thế hệ nào. Người ta gọi mỗi dây chuyền sản xuất chip theo tiến trình bán dẫn (technology node) của nó, một nhãn thế hệ từng khớp với kích thước chi tiết mà dây chuyền in được, còn nay phần lớn chỉ là một cái tên. Phần lớn chip quang tử làm trên các dây chuyền dùng quy trình đã hoàn thiện, thường là tiến trình 45 đến 130 nm, chứ không phải các tiến trình tiên tiến nhất dành cho bộ vi xử lý. Chẳng hạn, nền tảng silicon photonics hiện nay của GlobalFoundries dựng trên tiến trình 45 nm.^4.5

The most advanced logic chips, by comparison, are now made at the 2 nm node, which TSMC put into volume production at the end of 2025.^4.6 The NVIDIA chips this chapter opened with sit far from that edge: the photonic chips in its newest optical engines, the light-handling parts of the co-packaged-optics switches in chapter 8, are made on TSMC’s 65 nm process.^{4.7, 4.8} A mature line needs far less investment, and that keeps the photonic chip itself much cheaper to make; packaging and testing carry much of the cost.

Để so sánh, những chip logic tiên tiến nhất hiện làm ở tiến trình 2 nm, mà TSMC đưa vào sản xuất hàng loạt từ cuối năm 2025.^4.6 Những con chip NVIDIA nhắc tới ở đầu chương thì nằm cách xa mức ấy: phần chip quang tử trong các bộ phận quang (optical engine) mới nhất của hãng, tức phần xử lý ánh sáng trong những bộ chuyển mạch co-packaged optics mà chương 8 sẽ kể, được làm trên tiến trình 65 nm của TSMC.^{4.7, 4.8} Một dây chuyền dùng quy trình đã hoàn thiện đòi hỏi vốn đầu tư ít hơn hẳn, nhờ vậy chi phí làm ra bản thân con chip quang tử thấp hơn nhiều; một phần lớn chi phí nằm ở khâu đóng gói và kiểm thử.

The wavelength of light sets the size of optical devices

Bước sóng ánh sáng quyết định kích thước linh kiện quang

Why, then, is a 65 nm line enough? The reason lies in light itself. Electronic chips keep shrinking because a smaller transistor is faster and uses less power, and billions more fit on the same chip. Light plays by other rules. The biggest markets for photonic chips today, telecommunications and data centers, use light at wavelengths of about 1.3 µm and 1.55 µm, a little over a thousandth of a millimeter. A waveguide that carries such light has to be matched to its wavelength. Make it too narrow and the light does not stay inside at all.

Vậy vì sao một dây chuyền 65 nm là đủ? Lý do nằm ở chính bản chất của ánh sáng. Chip điện tử cứ thu nhỏ mãi vì bóng bán dẫn (transistor) càng nhỏ thì càng nhanh, càng ít tốn điện, và cùng một con chip lại chứa thêm được hàng tỷ chiếc nữa. Ánh sáng thì chơi theo luật khác. Viễn thông và trung tâm dữ liệu (data center), hai thị trường lớn nhất của chip quang tử hiện nay, đều dùng ánh sáng ở bước sóng khoảng 1,3 µm và 1,55 µm, tức nhỉnh hơn một phần nghìn milimet. Một ống dẫn sóng (waveguide) dẫn loại ánh sáng này phải có kích thước tương xứng với bước sóng. Làm hẹp quá thì ánh sáng không còn nằm lại bên trong nữa.

So optical devices do not become tiny, because they do not need to. A standard silicon waveguide is about 400 to 500 nm wide and 220 to 250 nm tall,^4.9 and every other device on the chip is built around features of that scale, so a line that prints 45 or 65 nm details has room to spare. What photonics demands instead is very tight control, since a waveguide a few nanometers too wide shifts the color a ring resonator picks out. Some future applications may still want finer nodes, since smaller features allow more complex circuits, but most photonic chips have no use for the most advanced ones.

Linh kiện quang vì thế không nhỏ đi mãi: chúng không cần phải nhỏ như vậy. Một ống dẫn sóng silicon thông thường rộng khoảng 400 đến 500 nm, cao 220 đến 250 nm,^4.9 và mọi linh kiện khác trên chip đều xoay quanh những chi tiết cỡ ấy, nên về kích thước, một dây chuyền in được chi tiết 45 hay 65 nm là dư sức. Thứ quang tử đòi hỏi là độ chính xác rất cao, vì ống dẫn sóng rộng lệch vài nanomet là màu ánh sáng mà vòng cộng hưởng chọn ra đã lệch theo. Một số ứng dụng tương lai có thể vẫn cần tiến trình nhỏ hơn, vì chi tiết càng nhỏ thì càng làm được những mạch phức tạp hơn, nhưng phần lớn chip quang tử không cần đến những tiến trình tiên tiến nhất.

Light changes how the chip is tested and packaged

Ánh sáng khiến việc kiểm thử và đóng gói chip khác đi

After the fab come the last two stages, and here light changes the work. In testing, an electronic chip is checked with electrical probes. A photonic chip must also be checked with light, so an optical fiber is brought up close to the chip to send light in and collect what comes out. In packaging, the chip has to be joined permanently to the fiber that will carry its light, and that joint must lose as little light as possible. Lining up a fiber core several micrometers wide with a waveguide less than one micrometer across, and holding the joint steady for years, is one of the most demanding parts of making a photonic product.^4.10

Rời nhà máy, con chip còn qua hai khâu cuối, và ở hai khâu này ánh sáng khiến mọi việc khác đi. Trong khâu kiểm thử, chip điện tử chỉ cần kiểm tra bằng kim dò điện. Chip quang tử còn phải kiểm tra cả bằng ánh sáng, nên người ta đưa một sợi quang lại sát con chip để truyền ánh sáng vào và thu lấy phần ánh sáng đi ra. Trong khâu đóng gói, con chip phải gắn cố định vào sợi quang sẽ dẫn ánh sáng của nó, và mối nối ấy phải làm thất thoát càng ít ánh sáng càng tốt. Lõi sợi quang rộng vài micromet, còn ống dẫn sóng chưa tới một micromet. Căn cho hai thứ ấy thẳng hàng rồi giữ mối nối vững vàng suốt nhiều năm là một trong những việc khó nhất khi làm ra một sản phẩm quang tử.^4.10

Across all these stages runs one number, yield: the share of the chips made that actually work. Make a million chips, and yield is the percentage of them that pass.

Xuyên suốt tất cả các khâu ấy là một con số: tỷ lệ thành phẩm (yield), tức phần chip làm ra thực sự chạy được. Chẳng hạn, làm ra một triệu con chip thì yield là tỷ lệ phần trăm số chip qua được khâu kiểm tra.

Photonic chips are still early in their development

Chip quang tử mới ở chặng đầu của con đường phát triển

Electronic chips have been developed for more than sixty years, and photonic chips are at a much earlier point on the same road. The two plates below show the difference. One follows microprocessors since 1970: the number of transistors keeps climbing, while clock speed levels off around 2005 and the performance of a single core grows much more slowly.^4.11 The other counts the components on a single photonic chip. Silicon photonic chips have gone from a handful of components to tens of thousands in about twenty years, climbing far more steeply than the older indium phosphide chips.^4.12

Chip điện tử đã phát triển hơn sáu mươi năm, còn chip quang tử mới ở chặng đầu của cùng con đường ấy. Hai hình dưới đây cho thấy sự khác biệt. Một biểu đồ theo dõi bộ vi xử lý từ năm 1970: số transistor cứ tăng mãi, trong khi tốc độ xung nhịp chững lại từ khoảng năm 2005, còn hiệu năng của một lõi đơn tăng chậm hẳn.^4.11 Biểu đồ kia đếm số linh kiện trên một con chip quang tử. Chip silicon photonics đã đi từ vài linh kiện lên hàng chục nghìn trong khoảng hai mươi năm, với đường tăng dốc hơn hẳn so với các chip indium phosphide ra đời trước.^4.12

Research funders have noticed. In 2024 DARPA’s microelectronics office named photonic circuits as one of its three main focus areas, alongside quantum circuits and bio/organic circuits.^4.13

Các cơ quan tài trợ nghiên cứu đã nhìn ra tiềm năng này. Năm 2024, văn phòng vi điện tử của DARPA chọn mạch quang tử làm một trong ba hướng tập trung chính, bên cạnh mạch lượng tử và mạch sinh học, hữu cơ.^4.13

The market, though, is still young. Its biggest single use is moving data inside data centers, the subject of chapters 7 and 8, and the other applications are still small and slow to grow.

Có điều thị trường vẫn còn non trẻ. Ứng dụng lớn nhất là truyền dữ liệu bên trong các trung tâm dữ liệu, chủ đề của chương 7 và chương 8, còn các ứng dụng khác vẫn nhỏ và lớn lên chậm.