作者 | 方文三

在芯片技術(shù)的發(fā)展過程中，隨著芯片制程的逐步縮小，互連線引起的各種效應成為影響芯片性能的重要因素。

芯片互連是目前的技術(shù)瓶頸之一，而硅光子技術(shù)則有可能解決這一問題。

臺積電押注硅光芯片，與大客戶開發(fā)新產(chǎn)品

在最近一次的半導體展覽中，臺積電董事長劉德音發(fā)表演講，強調(diào)了硅光子技術(shù)在半導體產(chǎn)業(yè)中的關(guān)鍵作用。

他指出，隨著人工智能應用的不斷發(fā)展，硅光子技術(shù)將成為未來半導體產(chǎn)業(yè)的重要推動力。

劉德音此次的演講進一步表明了臺積電對于半導體行業(yè)未來的發(fā)展趨勢的判斷，同時也為該公司在半導體產(chǎn)業(yè)中的未來發(fā)展提供了新的思路。

目前臺積電計劃攜手博通、英偉達等大客戶共同開發(fā)硅光子技術(shù)、共同封裝光學元件（CPO）等新產(chǎn)品。

制程技術(shù)從45nm延伸到7nm，最快明年下半年開始迎來大單，并在2025年左右達到放量階段。

臺積電已組建了一支由約200名專家組成的專門研發(fā)團隊，專注于利用硅光子技術(shù)開發(fā)未來芯片。

此次合作旨在生產(chǎn)下一代硅光子芯片，預計最早將于 2024 年下半年獲得大量訂單。

技術(shù)突破傳統(tǒng)限制，硅光芯片優(yōu)勢明顯

硅光子技術(shù)可以將電換成傳輸速度更快的光，實現(xiàn)更快的傳輸速率、更遠的傳輸距離以及更低的功耗和延遲。

理論上，當光學接口與CPU和GPU封裝在一起，能夠有效擴展GPU間的帶寬，同時節(jié)省能耗和面積，真正將數(shù)百臺服務器作為一個巨型的GPU。

硅光芯片有三大優(yōu)勢：集成度高、成本下降潛力大、波導傳輸性能優(yōu)異。

①硅光子技術(shù)具有更高的集成度及更多嵌入式功能，可提升芯片的集成度。

②硅光子芯片基礎材料只需硅基材料，大規(guī)模生產(chǎn)可降低成本。

③硅對1.1-1.6μm通信波段透明，具有優(yōu)異的波導傳輸特性，折射率高可形成大折射率差。

業(yè)內(nèi)人士將硅光技術(shù)的發(fā)展分為三個階段：

①用硅把光通信底層器件做出來，達到工藝的標準化。

②集成技術(shù)從耦合集成向單片集成演進，實現(xiàn)部分集成，再把這些器件通過不同器件的組合，集成不同的芯片。

③光電一體技術(shù)融合，實現(xiàn)光電全集成化。

目前硅光技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了第二個階段。

硅光產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在正處在前期擴張階段，未來可能會成為一個像集成電路那樣大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。

光電封裝成高景氣賽道，CPO成關(guān)注重點

光電封裝可能會成為發(fā)展最快的賽道，而共封裝光學（CPO）是最值得關(guān)注的技術(shù)方向。

據(jù)CIR數(shù)據(jù)顯示：到2027年，共封裝光學市場的收入可能會達到54億美元。

像英特爾、IBM、Oracle和中興通訊這些知名的半導體和信息技術(shù)公司都在投入很多精力和資金來推進硅光的產(chǎn)業(yè)化。

現(xiàn)在，臺積電、英特爾、英偉達、博通這些國際半導體巨頭都在研究硅光子以及共封裝光學（CPO）技術(shù)，預計最快在2024年這個市場會出現(xiàn)爆發(fā)式的增長。

隨著先進制程推進到3nm節(jié)點，AI運算將推動高速傳輸?shù)男枨?，并進一步帶動高速網(wǎng)絡架構(gòu)重整。

預計未來CPO技術(shù)將不可或缺，2025年之后將大量進入市場。

據(jù)SEMI估計：到2030年，全球硅光芯片市場規(guī)模可能會從2022年的12.6億美元增長到78.6億美元。

其中一個很重要的進展是格芯在2022年3月推出了一個硅光子平臺Fotonix，可以在90WG和45CLO工藝節(jié)點以及封裝工藝上進行布局。

英偉達在2021年以69億美元現(xiàn)金收購了光纖互連技術(shù)提供商Mellanox Technologies，這是其最大規(guī)模的一筆收購交易。

華為多年來也在一直投資開發(fā)硅光技術(shù)，包括在英國劍橋建立了一個研發(fā)基地。

算力、激光雷達、健康監(jiān)測成顯著增長點

現(xiàn)階段來看，面向自動駕駛的激光雷達硅光芯片以及面向消費者健康監(jiān)測及診斷的硅光芯片將是重要增長點。

車載激光雷達技術(shù)在智能駕駛中廣泛應用，硅光芯片由于高度集成性和電光效應相位調(diào)諧能力，在多路信號控制上具有優(yōu)勢。

北大團隊在Science上發(fā)表了基于硅光的量子糾纏芯片設計，量子通信在軍事、金融、數(shù)據(jù)中心加密等保密領域具有顛覆性優(yōu)勢，基于硅光的量子通信芯片有望成為未來重要技術(shù)方案。

短期內(nèi)，片間光互連、片上光互連將是算力提升方向最先商業(yè)化成功的應用。

由于仍屬前沿技術(shù)，當前全球范圍內(nèi)專注且有出貨硅光產(chǎn)品的企業(yè)不多。

包括Mellanox、思科、Luxtera、意法半導體、Acacia與Molex等，絕大多數(shù)為在光通信和硅光領域有較長時間積累的海外巨頭。

目前，英特爾數(shù)據(jù)中心已采用片間光互連提高計算效能，英偉達也將與Ayar Labs合作將光學I/O應用于AI/HPC架構(gòu)。

Ayar Lab是光互連賽道的主要創(chuàng)業(yè)公司，持續(xù)融資已超過2億美元，B輪估值為11.375億美元，C輪估值估計已超過20億美元。

將為數(shù)據(jù)中心內(nèi)超高帶寬數(shù)據(jù)互聯(lián)的標配

在信息傳輸方面，數(shù)據(jù)中心內(nèi)大規(guī)模的分布式計算使得服務器之間需要進行頻繁的大量數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)的訪問與搬運性能成為與計算性能一樣重要的指標。

傳統(tǒng)的高速光模塊在通信網(wǎng)絡設備成本中占比高達50%-60%，其高昂的成本阻礙了數(shù)據(jù)傳輸速率的發(fā)展。

而硅光芯片能夠在較低的成本下，提供數(shù)據(jù)中心集群設備間、服務器與服務器間、甚至是芯片內(nèi)部的超高速光互連。

在信息處理方面，硅光芯片具備相比電子芯片更快的矩陣運算速率。

AI正在從[模型為中心]向[數(shù)據(jù)為中心]轉(zhuǎn)變，基于海量數(shù)據(jù)的大模型背后，將會是硅光芯片大放異彩的賽場。

2018年，中國自行研制的[100G硅光收發(fā)芯片]在武漢投產(chǎn)使用，這標志著中國商用100G硅光芯片正式研制成功。

蘇州熹聯(lián)光在2021年10月并購行業(yè)領先的sicoya，其100G光模塊已實現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)，400G光學引擎及光模塊已進入客戶送樣認證階段。

光迅科技是國內(nèi)為數(shù)不多的能夠?qū)?00G硅光數(shù)通模塊進行商業(yè)出貨的公司，目前其國內(nèi)的最大客戶是阿里。

未來，硅光子的主要技術(shù)演進將集中在更高集成度，800G硅光模塊將成為未來幾年的主要增長點。

結(jié)尾：

行業(yè)里的人都在說，硅光產(chǎn)業(yè)肯定是大勢所趨。它的應用場景那么多，市場潛力特別大，讓人看了都激動。

但其實，不管應用場景有多厲害，真正重要的還是底層的硅光生態(tài)。

要真的推動這個萬億產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，需要的不只是那些表面的拉動，更需要的反而是底下工藝生態(tài)的建設。

現(xiàn)在硅光產(chǎn)業(yè)面臨的難題也不少，比如工藝平臺還沒搞好，硅基有源器件做不出來，納米尺寸硅光技術(shù)路徑不靠譜等問題。

部分資料參考：

電子發(fā)燒友網(wǎng)：《臺積電押注硅光芯片，預計2025年進入大批量生產(chǎn)》， DeepTech深科技：《硅光芯片將成為數(shù)據(jù)中心內(nèi)超高帶寬數(shù)據(jù)互聯(lián)的標配》，半導體產(chǎn)業(yè)縱橫：《國產(chǎn)廠商搶占硅光芯片的風口》，半導體行業(yè)觀察：《硅光芯片的機遇與挑戰(zhàn)》，鎂客網(wǎng)：《巨頭押注的硅光芯片，這次真要來了？》