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新数据中心时代光电制造领域面临的挑战

摘要:针对光电制造的高容量和高混合特性需要灵活,高速且高精度的自动化技术,以实现对超大规模数据中心的关键光电组件的及时供应和快速创新。

  针对光电制造的高容量和高混合特性需要灵活,高速且高精度的自动化技术,以实现对超大规模数据中心的关键光电组件的及时供应和快速创新。

  ICCSZ讯 互联网流量一直在以指数速度增长,且互联网流量产生的数据非常庞大,数据中心对于通过云计算支持数据通信,存储和处理至关重要。光电装置在现代数据中心中发挥着至关重要的作用,这为数据中心对光电大批量制造(HVM)构成了重大挑战。

  趋势:

  如图1所示,思科最近的一项研究表明,全球IP和全球数据中心流量都在以25%左右的复合年增长率增长。新兴应用的激增,如互联网,视频流,3D感应,智能汽车和VR / AR,已经产生巨大的带宽和新的数据中心的需求。到2020年,预测显示50%的数据中心将具有超大规模水平,未来三年每年将建立约40个超大规模数据中心

图1 市场推动光电产业发展

  光电产业发展对于带宽增长起到至关重要的作用,以往电信需求驱动带宽增长,而现在更多的是数据中心业务推动带宽实现非凡增长。图2分别显示了电信和数据通信的光模块的全球销售收入。关键转折点出现在2017 -2019年,数通领域的光模块销售收入超过电信领域的光模块收入。?#36865;猓?#35813;研究预测数据通信未来的增长率还将显着提高。

图2 数据中心驱动的数通光模块的全球销售收入超过了电信光模块全球销售收入。

  随着数据中心需求成为新的增长引擎,光电产业感受到了与传统电信模型截然不同的新数据中心业务模式的挑战。以下图中总结了以电信为中心和以数据中心为中心的业务模型之间的主要差异。影响光电制造的最关键因素是大批量,低预测可见度,快速创新,产品快速响应和低成本。

表1 光电产业两种终端客户商?#30340;?#24335;的比较

  由于电信广泛部署的特性,以往光电产业受到电信的影响极大。由于恶劣的操作环境(例如-40?C至85?C,RH高达85%)以及系统部署和维护的高成本,每次电信升级周期都很长并且需要经过谨慎周密的规划。从运营商到设备商和上游器件供应商的年度预测可见性相当不错。在这个漫长的部署和使用周期中,更容易接受精密而昂贵的光器件。器件供应商有更多时间来规划和响应客户需求,并不像我们最近从数据中心业务上看到的短期就需要产品快速更新且大批量的快速响应。

  数据中心业务在受控环境中运行其大部分网络,例如温度和湿度可控的建筑物(例如0?C至55?C,RH 40%至60%)。大部分?#26102;?#25903;出(Capex)都用于土地,建筑物和布线。大部分运营费用(Opex)用于能源消耗和环境控制。虽然光电器件支出在?#26102;?#25903;出和运营费用占比相对较小,但是它们对?#21697;?#21153;提供商向客户提供带宽业务的营业收入发挥了重要作用。在类似办公室的受控环境中,升级成本变低。?#31995;?#30340;更新成本以及光电器件在?#26102;?#25903;出和运营费用总成本低占比,二者结合使得数据中心提供商可以为现有数据中心的升级周期缩短至3 -5年。对于每次升级,他们都希望采用当下能提供最大带宽、最先进的光电技术,以最大限度地提高同一建筑物内的收入。

  数据中心提供商很难准确预测特定数据中心项目的启动时间,因为新的数据中心建设项目在选址和土地购买需要得到地方政府的支持和批准,这大大降低了光电器件供应商对市场的可见度预测。另一方面,一旦项目获得批准,数据中心提供商自然希望尽快构建完成迅速增加收入来源。经过2 -3年的系统建设之后,新的数据中心将随时准备安装最先进的光电设备,以便可以在运行的第一天就可以创造最大的收入潜力。

  最后,针对数据中心应用的产品快速更新换代为大批量与高混合集成的光电制造带来双重挑战。如图3所示,在过去几年中,光模块已经从10G升级到40G。现在,100G正在超越40G成为新批量部署的领先技术。与?#36865;?#26102;,200G / 400G解决方?#22797;?#20110;样品设计和小批量生产阶段。在相同的光电器件生产制造平台上,所有这些不同的技术和产品将在?#27426;?#26102;间内共存。

图3 光电制造的快速创新驱动大批量、高混合集成的不同速率产品共存表

  行业机遇与解决方案

  所有这些基于云的新数据中心业务模式所带来的挑战?#21450;?#38543;着机遇。光电产业如何来应对这些挑战?其关键在于自动化技术。

  如图4所示,在市场处于低预测可见性的情况下,光电器件供应商确实需要采用一种可以实现大批量、高质量、低成本制造与数据中心及时模式实现快速启动生产和关闭能力的弹性产能。自动化技术可快速提升产量,而无需担心大批量手动生产所需的大量培训。自动化技术还可以减少对人工的依?#25285;?#20174;而降低可变成本,特别是在需求淡?#23613;?#19982;?#36865;?#26102;,器件商可以在开发和制造阶段使用相同的自动化平台和生产工艺,因此自动化技术可将新产品导入(NPI)的风?#21344;?#33267;最低。?#36865;猓?#39640;精密自动化技术能够解决手工无法实现的复杂工艺制作,生产领先的产品。

图4 展示了数据中心业务的挑战及光电制造领域可能做出的反应

  目前,光电制造领域所面临的最大挑战是如何处理大批量与高度混合的产品生产。产品高混合通常源于NPI,或源于不同产品之间的转换,这种转换使大批量生产变得尤为困难,因为企业无法在保持配置?#27426;?#21464;化的情况下增加产量。要解决这个问题需要灵活、高速的自动化技术,如何使自动化设备同时具有灵活性和高速度历来?#38469;且?#20010;难题。接下来的案例研究将表明,通过在自动化产业进行创新能够在实现高速度的同时保持灵活性。

  案例研究 - 灵活的高速贴片自动化平台

  为了阐明我们对自动化解决方案的理解,以下是处理关键制造流程之一(即贴片)的案例研究。图5是光电制造的各种部件的常规步骤视图。各种此类部件来自不同类型/叠代的产品,以支持大?#27573;?#30340;数据中心通信网络。有几个主要流程步骤与不同成品相关:

  1、对于管盒产品(例如模块、高功?#22987;?#20809;器),通常首先要完成基板/基台芯片(CoC/CoS)粘结,然后将CoC/CoS粘合到用于透镜/反射镜附件的共同基板上,然后封装。最新趋势是,需要通过共晶或环氧粘结贴到共同基板上的芯片或晶片(如激光器、电容和热敏电阻)越来越多。

  2、对于PCB层的产品(如?#24615;?#20809;缆(AOC)和板载光学器件(OBO)),芯片是直接贴在PCB板上。多?#20013;?#29255;(如垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵?#23567;?#20809;电二极管(PD)阵?#23567;?#28608;光驱动器和互阻抗放大器(TIA))需要贴在PCB上。通常最终的透镜附着通过主动校准完成,但是,现在这一流程越来越多地由可提供高速度、高精度(3 μm)的贴片设备通过被动晶片粘贴来完成。

  3、对于TO-can型产品,激光器芯片?#25512;?#20182;晶片是在90°翻转后贴在TO基底或立柱上。为了支持即将推出的5G无线部署,波分多路复用(WDM)激光器和电吸?#38477;?#21046;激光器(EML)采用低成本TO-can封装。在有众多芯片需要粘结的情况下,这些WDM/EML-TO比仅需要处理1–2个晶片的TO-can封装要复杂得多。

  4、对于硅光子,从CoC形成到中介层芯片和芯片到晶圆(CoW)过渡过程中的流程越来越多。还有很多流程尚未确定,但未来将越来越多地取决于晶圆层集成。

图5 有关如何为实现最?#30740;?#29575;而组织自动贴片工具和流程的示例。

  图6是如何实现高效率的自动贴片设备和工艺示例。该图表中有三列 - 左边是“一体化”类型的用于研发和低到中等体积的芯片粘合剂。中间是与图5中示例一致的过程。右侧是用于HVM的“特殊”类型的灵活高速贴片机的示例。通过以下我们列出的3个关键要点,您可以理解此方法如何有助于光电产业应对前面所讨论的光电制造挑战:

  1、通过消除已在开发阶段设置的控制或流程变更,硬件和软件层的通用平台可以大大降低NPI风险。在研发/NPI阶段,一体化贴片设备可用于开发多种类型的产品。自动化机器可以在一台设备中处理各种类型的贴片和生产流程。其速度也快到足以为设计和制造过程制作小/中水平的批量生产。一旦需求出现并需要大批量生产,生产线就可以组织成特定的流程组合。

  2、大批量、高混合光电制造需要可以通过用于一个或多个流程组的一个机器覆盖多晶片、流程、产品的灵活、高容量机器。通过引入新的超速共晶模块和部署多级并行处理(例如将材料处理与芯片键合步骤分离),在零时间浪费的情况下即时集成更?#36824;?#20855;,优化了速度和吞吐量。

  需要针对下一代产品设计的HVM设备,实现并行的快速创新。例如,3μm贴片精度是从当前使用大于5μm贴片精度的主流光电流程中得到提高。除了实现新产品之外,贴片的高精度还可以通过尽可能在流程早期减小装配误差来增加当前产品制造的流程效益。

图6 用于高容量和高混合光学制造的平台方法的示例。

  总结,一个不牺牲灵活性、精度和可靠性,且可连续24/7生产的高速自动化平台对于大批量、多品种光电子制造是至关重要的。一个研发和量产之间的通用平台,以及永不过时的精度,对快速创新和降低NPI风险、以及量产中良率改善和成本降低?#38469;?#21516;样至关重要。

  Yi Qian是MRSISystems产品管理副总裁(该公司位于马萨诸塞州北比勒利)

  电子邮件:[email protected] ; www.mrsisystems.com。

内容来自:讯石光通讯咨询网
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