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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(yīng)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(dǎo)體展覽中，臺積電董事長劉德音發(fā)表演講，強(qiáng)調(diào)了硅光子技術(shù)在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的關(guān)鍵作用。
他指出，隨著人工智能應(yīng)用的不斷發(fā)展，硅光子技術(shù)將成為未來半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要推動力。
劉德音此次的演講進(jìn)一步表明了臺積電對于半導(dǎo)體行業(yè)未來的發(fā)展趨勢的判斷，同時(shí)也為該公司在半導(dǎo)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(jì)劃攜手博通、英偉達(dá)等大客戶共同開發(fā)硅光子技術(shù)、共同封裝光學(xué)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(dá)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(tuán)隊(duì)，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(yù)計(jì)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(shí)現(xiàn)更快的傳輸速率、更遠(yuǎn)的傳輸距離以及更低的功耗和延遲。
理論上，當(dāng)光學(xué)接口與CPU和GPU封裝在一起，能夠有效擴(kuò)展GPU間的帶寬，同時(shí)節(jié)省能耗和面積，真正將數(shù)百臺服務(wù)器作為一個(gè)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(dǎo)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(chǔ)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(dǎo)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(gè)階段：
①用硅把光通信底層器件做出來，達(dá)到工藝的標(biāo)準(zhǔn)化。
②集成技術(shù)從耦合集成向單片集成演進(jìn)，實(shí)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(shí)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(gè)階段。
硅光產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在正處在前期擴(kuò)張階段，未來可能會成為一個(gè)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(diǎn)
光電封裝可能會成為發(fā)展最快的賽道，而共封裝光學(xué)（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(xué)市場的收入可能會達(dá)到54億美元。
像英特爾、IBM、Oracle和中興通訊這些知名的半導(dǎo)體和信息技術(shù)公司都在投入很多精力和資金來推進(jìn)硅光的產(chǎn)業(yè)化。
現(xiàn)在，臺積電、英特爾、英偉達(dá)、博通這些國際半導(dǎo)體巨頭都在研究硅光子以及共封裝光學(xué)（CPO）技術(shù)，預(yù)計(jì)最快在2024年這個(gè)市場會出現(xiàn)爆發(fā)式的增長。
隨著先進(jìn)制程推進(jìn)到3nm節(jié)點(diǎn)，AI運(yùn)算將推動高速傳輸?shù)男枨?，并進(jìn)一步帶動高速網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)重整。
預(yù)計(jì)未來CPO技術(shù)將不可或缺，2025年之后將大量進(jìn)入市場。
據(jù)SEMI估計(jì)：到2030年，全球硅光芯片市場規(guī)?？赡軙?022年的12.6億美元增長到78.6億美元。
其中一個(gè)很重要的進(jìn)展是格芯在2022年3月推出了一個(gè)硅光子平臺Fotonix，可以在90WG和45CLO工藝節(jié)點(diǎn)以及封裝工藝上進(jìn)行布局。
英偉達(dá)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(gè)研發(fā)基地。
算力、激光雷達(dá)、健康監(jiān)測成顯著增長點(diǎn)
現(xiàn)階段來看，面向自動駕駛的激光雷達(dá)硅光芯片以及面向消費(fèi)者健康監(jiān)測及診斷的硅光芯片將是重要增長點(diǎn)。
車載激光雷達(dá)技術(shù)在智能駕駛中廣泛應(yīng)用，硅光芯片由于高度集成性和電光效應(yīng)相位調(diào)諧能力，在多路信號控制上具有優(yōu)勢。
北大團(tuán)隊(duì)在Science上發(fā)表了基于硅光的量子糾纏芯片設(shè)計(jì)，量子通信在軍事、金融、數(shù)據(jù)中心加密等保密領(lǐng)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(yīng)用。
由于仍屬前沿技術(shù)，當(dāng)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(dǎo)體、Acacia與Molex等，絕大多數(shù)為在光通信和硅光領(lǐng)域有較長時(shí)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(jì)算效能，英偉達(dá)也將與Ayar Labs合作將光學(xué)I/O應(yīng)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(jì)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(biāo)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(jì)算使得服務(wù)器之間需要進(jìn)行頻繁的大量數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)的訪問與搬運(yùn)性能成為與計(jì)算性能一樣重要的指標(biāo)。
傳統(tǒng)的高速光模塊在通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備成本中占比高達(dá)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(shè)備間、服務(wù)器與服務(wù)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(yùn)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(biāo)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(lǐng)先的sicoya，其100G光模塊已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)，400G光學(xué)引擎及光模塊已進(jìn)入客戶送樣認(rèn)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)。
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(yīng)用場景那么多，市場潛力特別大，讓人看了都激動。
但其實(shí)，不管應(yīng)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(gè)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(shè)。
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(yù)計(jì)2025年進(jìn)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(biāo)配》，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫：《國產(chǎn)廠商搶占硅光芯片的風(fēng)口》，半導(dǎo)體行業(yè)觀察：《硅光芯片的機(jī)遇與挑戰(zhàn)》，鎂客網(wǎng)：《巨頭押注的硅光芯片，這次真要來了？》
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