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前不久，在美國加州的Hot Chips會議上，英特爾展示了一款1TB/s硅光子互連8核528線程處理器。另據(jù)報道，臺積電將投入超過200人的研發(fā)團隊，攜手博通、英偉達等大客戶共同開發(fā)硅光子及CPO（共封裝光學(xué)器件），瞄準(zhǔn)2024年陸續(xù)到來的基于硅光子工藝的超高速計算商機。
事實上，在新興硅光子新賽道，英特爾、英偉達、思科、博通、臺積電和格羅方德已形成了共舞一曲華爾茲的格局。他們在硅光子領(lǐng)域的研究和應(yīng)用各有側(cè)重，也有很多交叉和合作，通過優(yōu)勢互補和資源共享，旨在共同推進硅光子技術(shù)的發(fā)展，開拓更廣泛的市場和應(yīng)用。
硅光子技術(shù)用途廣泛
硅光子技術(shù)用激光束代替電信號傳輸數(shù)據(jù)，是一種低成本、高速的光通信技術(shù)。它基于制造硅光子集成電路（PIC）的平臺，是唯一可以和成熟的CMOS工藝兼容的平臺，使硅光子在集成光學(xué)中具有不可替代的地位。
自1985年以來，硅光子取得了重大進展，從高約束波導(dǎo)光學(xué)器件發(fā)展到戰(zhàn)略性地采用CMOS工藝、集成和封裝技術(shù)，確立了其在收發(fā)器領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。早在2010年，英特爾實驗室通過混合硅激光器技術(shù)的集成激光器，首次實現(xiàn)了基于硅光子的數(shù)據(jù)連接。
自從第一個PIC商用以來，將PIC與EIC集成在一起一直是一個選擇。因為從商業(yè)化和上市角度看，僅使用EPIC（電子與光子集成電路）雖然在技術(shù)上很卓越，但當(dāng)光子元件比電子元件大幾個數(shù)量級時，芯片成本就會成為問題。為此，人們采用多芯片2.5D或3D集成方式，將昂貴的單片PIC和EIC集成在一起。
PIC和EIC的不同連接技術(shù)
近年來，英偉達的AI（人工智能）超級計算解決方案為光通信發(fā)展帶來了新的機遇。伴隨數(shù)據(jù)中心計算和存儲需求的不斷增長，傳統(tǒng)的電信號傳輸已難以滿足需求。光通信技術(shù)具有高速、低延遲、低損耗等優(yōu)勢，可大大提升數(shù)據(jù)中心的性能和效率。
在數(shù)據(jù)中心AI和ML（機器學(xué)習(xí)）推動下，硅光子技術(shù)及CPO有助于突破當(dāng)前計算架構(gòu)的限制，滿足高性能計算的海量數(shù)據(jù)傳輸需求。得益于硅的卓越性能，硅光子能夠為要求高容量可擴展性的應(yīng)用提供一個通用平臺，特別適用于英特爾主導(dǎo)的數(shù)據(jù)中心，第二大應(yīng)用領(lǐng)域是Acacia電信應(yīng)用。Acacia是一家高速光纖傳輸智能收發(fā)器領(lǐng)先供應(yīng)商，已被思科以45億美元收購。
在光學(xué)激光雷達、醫(yī)學(xué)應(yīng)用和量子計算等領(lǐng)域硅光子也有應(yīng)用前景。光學(xué)激光雷達系統(tǒng)有很大的潛力，但面臨成本和2D光束掃描的挑戰(zhàn)。將兩個芯片放置在同一硅基板上的3D集成對無縫控制至關(guān)重要。
光學(xué)量子計算在AI和ML領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用，是效率關(guān)鍵型任務(wù)的理想選擇，較電子計算技術(shù)在運算效率和能耗上有顯著的優(yōu)勢，應(yīng)用有望進一步拓展。
光學(xué)陀螺儀需要相當(dāng)大的芯片來制造敏感的旋轉(zhuǎn)傳感器，硅襯底和SiN波導(dǎo)可以解決這個問題。
先進的光子組件及其對醫(yī)療用途的集成可以賦能醫(yī)療保健，實現(xiàn)更快、更精確的診斷、治療和患者監(jiān)測，當(dāng)然還要克服臨床應(yīng)用的監(jiān)管和標(biāo)準(zhǔn)化挑戰(zhàn)。
硅光子市場前景廣闊
Yole集團旗下Yole Intelligence指出，硅光子在光學(xué)互連和DC（數(shù)據(jù)中心）網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用中越來越受到關(guān)注，特別是將激光器連接到硅PIC的技術(shù)，以及在CMOS/代工/兼容器件、電路、集成和封裝方面的進步。
Yole認為，將硅光子擴展到可見光譜對未來發(fā)展具有重要意義，可以實現(xiàn)廣泛的創(chuàng)新應(yīng)用。2022年，硅光子市場價值6800萬美元，預(yù)計2028年將以44%的復(fù)合年增長率增長至6億美元以上。這主要是由增加光纖網(wǎng)絡(luò)容量的800G高數(shù)據(jù)速率可插拔模塊推動。此外，對快速增長的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的預(yù)測表明，高數(shù)據(jù)速率模塊和ML服務(wù)器中將越來越多地使用光I/O來擴展光模型。為此，硅光子行業(yè)對其未來的解決方案和價值充滿信心。
硅光子代工廠和行業(yè)日益增長的專業(yè)知識越來越容易被更多公司使用，進而提高數(shù)據(jù)傳輸速度、降低能耗并實現(xiàn)各種應(yīng)用，使其成為一個很有前景的增長領(lǐng)域。
在數(shù)據(jù)通信市場，英特爾以61%的市場份額領(lǐng)跑，其次是思科、博通。不過，隨著投資組合的加強和其他參與者的商業(yè)化，英特爾的主導(dǎo)地位將被減弱。
電信市場由相干可插拔ZR/ZR+模塊驅(qū)動，思科（Acacia）占據(jù)近50%份額，其次是Lumentum（Neophotonics）和Marvel（Inphi）。
持續(xù)研發(fā)+戰(zhàn)略合作
從產(chǎn)業(yè)格局來看，參與硅光子的主要IDM有英特爾、思科、Marvell、博通、英偉達、IBM等；初創(chuàng)設(shè)計公司有AyarLabs、OpenLight、Lightmatter、Lightlligence等；研究機構(gòu)有加州大學(xué)舊金山分校、哥倫比亞大學(xué)、斯坦福工程學(xué)院、麻省理工學(xué)院等；代工廠有格羅方德、Tower Semiconductor、IMEC、TSMC等；設(shè)備供應(yīng)商有Applied Materials、ASML、Aixtron等。
在研發(fā)方面，英特爾投入最多，許多初創(chuàng)公司則專注于特定應(yīng)用或新技術(shù)。除了超大數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)通信為硅光子帶來大部分收入外，臺積電、英特爾、英偉達、AMD、格羅方德等領(lǐng)先半導(dǎo)體公司仍在投資許多其他應(yīng)用。
硅光子行業(yè)的特點是持續(xù)研發(fā)和戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，并通過代工廠不斷增加的產(chǎn)能推動技術(shù)的發(fā)展。所有這些參與者都為硅光子的顯著增長和多樣化做出了貢獻。
硅光子是一種先進的技術(shù)，在制造方面，利用現(xiàn)有CMOS工藝開發(fā)和集成光器件，需要結(jié)合超大規(guī)模、超高精度集成電路制造技術(shù)和超高速率、超低功耗光子技術(shù)優(yōu)勢，以應(yīng)對摩爾定律失效的影響。
目前，中國公司尚缺少所需的高制造技能，處于原型或采樣水平，主要依靠外部合作伙伴供應(yīng)硅光子收發(fā)器或光學(xué)引擎。英特力-立訊精密-博創(chuàng)科技和熹聯(lián)光芯-博創(chuàng)科技就是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域這種合作的例子，而華為和中興通常是從思科或諾基亞購買PIC。
硅光子技術(shù)路線聚焦集成
硅光子發(fā)展路徑是一個不斷集成的過程，從最初的超低損耗波導(dǎo)到單個器件，到混合集成和異構(gòu)集成，再到單片集成和大規(guī)模多功能化。近年來，各種電折射和電吸收材料的集成為新的硅光子應(yīng)用開辟了新的途徑，能夠?qū)崿F(xiàn)CPO、量子信息處理、量子密鑰分配（QKD）微梳（Micro-comb）激光器、光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、固態(tài)激光雷達片上系統(tǒng)、片上光譜氣體傳感器等各種應(yīng)用。
盡管硅作為光發(fā)射器有一些缺點，但最新突破引入了在硅上制造有源光學(xué)元件的創(chuàng)新方法，并在短短幾年內(nèi)實現(xiàn)了大規(guī)模生產(chǎn)。
值得注意的是，硅光子主要是通過量子點（QD）激光器進行單片集成。硅是一種間接帶隙半導(dǎo)體，內(nèi)部量子效率相對較低，而直接帶隙III–V材料的效率接近100%，因此需要予以關(guān)注。傳統(tǒng)的III-V族半導(dǎo)體材料InP（磷化銦）PIC需要五到六個再生長步驟，既昂貴良率又不高。
異構(gòu)集成提供了同時結(jié)合多種材料、鍵合和加工的優(yōu)勢。不過，III–V襯底都不足300mm，成本比較高，這是人們對單片集成越來越感興趣的原因所在。因此，片上激光器單片集成技術(shù)將是實現(xiàn)高密度、大規(guī)模硅光子集成的很有前途的方法。
QD激光器已經(jīng)證明其固有參數(shù)超過了QW（量子阱）器件，具有更長的壽命，同時對材料缺陷表現(xiàn)出很大的容限，可實現(xiàn)QD激光器的硅上外延集成，具有高溫穩(wěn)定性、降低冷卻要求、增加窄線寬激光器帶寬的特點。
事實上，硅光子領(lǐng)域的襯底或材料很多，如薄膜LiNbO3（TFLN）、SiN、BTO、GaAs等，都具有相當(dāng)?shù)臐摿?。其中，硅基薄膜TFLN進展迅速，已被證明對創(chuàng)建高速調(diào)制器非常有效。
另外，如果將硅PIC與硅集成電路比較，在集成規(guī)模上存在明顯差異，后者已縮小到幾納米，而硅光子不需要3nm光刻，45nm完全適合生產(chǎn)高性能、高質(zhì)量的硅PIC，所以可以采用較低光刻水平的代工廠來提升成本效益。
高性能計算看好CPO
隨著技術(shù)進步，能夠在商業(yè)系統(tǒng)中更緊密地集成通信和計算技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)硬件越來越多。此外，AI模型的規(guī)模正在以前所未有的速度增長，傳統(tǒng)架構(gòu)（銅基電互連）的芯片到芯片或板到板的能力將成為擴展ML的主要瓶頸。因此，針對高性能計算（HPC）及其新的分解架構(gòu)，出現(xiàn)了新的極短距離的光學(xué)互連。分解設(shè)計區(qū)分服務(wù)器卡上的計算、內(nèi)存和存儲組件，分別對它們進行池化。通過先進的封裝內(nèi)光學(xué)I/O技術(shù)，在各種處理單元（xPU），特別是中央處理單元（CPU）、數(shù)據(jù)處理單元（DPU）、圖形處理單元（GPU）、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和ASIC、存儲器和存儲器都可以中使用基于光學(xué)的互連，以實現(xiàn)必要的傳輸速度和帶寬。
中國廠商的機會
中國大陸對于硅光子產(chǎn)業(yè)的投入也不容小覷，因為硅光子芯片制造可沿用既有的十分成熟的CMOS工藝與機臺，且主流工藝在45到90nm，這對擅長IC設(shè)計但工藝相對落后的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)而言，不失為推動國內(nèi)半導(dǎo)體內(nèi)循環(huán)策略的最佳捷徑。
以華為為例，2012年收購了英國集成光子研究中心CIP Technologies；2013年收購了兩家從事硅光子技術(shù)開發(fā)的比利時公司：Caliopa和Caliopa NV。
中國政府早在1988年就創(chuàng)建成立了武漢東湖高新區(qū)光電園——中國光谷，全力打造硅光子相關(guān)技術(shù)。2021年，中國信科光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國家重點實驗室聯(lián)合國家信息光電子創(chuàng)新中心（NOEIC）、鵬城實驗室，在國內(nèi)率先完成了1.6Tb/s硅基光收發(fā)芯片的聯(lián)合研制和功能驗證，實現(xiàn)了我國硅光芯片技術(shù)向Tb/s級的首次跨越，為我國下一代數(shù)據(jù)中心內(nèi)的寬帶互連提供了可靠的光芯片解決方案。未來，國內(nèi)這方面的研究和商業(yè)化值得期待。
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