文 | 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫
硅光芯片（Silicon Photonic Chip）是基于硅材料制造的一種新型集成芯片，它將傳統(tǒng)的電子器件與光學(xué)器件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸、調(diào)制和探測(cè)等功能。這一技術(shù)的核心價(jià)值在于其能夠突破傳統(tǒng)電子芯片在帶寬、功耗和延遲上的物理極限，為下一代信息技術(shù)提供全新的解決方案。
據(jù)Yole報(bào)告，2023 年，硅基 PIC（芯片）市場(chǎng)規(guī)模為 9500 萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)到 2029 年將增長(zhǎng)至 8.63 億美元以上，復(fù)合年增長(zhǎng)率 (CAGR2023-2029) 為 45%。
硅光芯片的發(fā)展可以追溯到20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室首次提出“集成光學(xué)”的概念。然而，在此后的幾十年里，由于工藝技術(shù)的限制以及市場(chǎng)需求的不足，硅光芯片始終未能走出實(shí)驗(yàn)室階段。直到進(jìn)入21世紀(jì)，隨著CMOS工藝的成熟和數(shù)據(jù)中心需求的爆發(fā)，硅光芯片才逐漸從理論研究轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)化探索。英特爾、IBM等科技巨頭的加入，更是推動(dòng)了這一技術(shù)的快速發(fā)展。
近年來，AI大模型訓(xùn)練、高性能計(jì)算和5G通信等新興場(chǎng)景對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率和能效比提出了更高要求，進(jìn)一步加速了硅光芯片的技術(shù)迭代。根據(jù)業(yè)內(nèi)人士的分析，硅光子技術(shù)正逐步從高端市場(chǎng)向消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)滲透，成為繼CMOS之后最具潛力的技術(shù)平臺(tái)之一。
產(chǎn)業(yè)格局
硅光子產(chǎn)業(yè)格局由多元化參與者組成：積極參與硅光子行業(yè)的主要垂直整合參與者（例如Innolight、思科、Marvell、Broadcom、Coherent、Lumentum、Eoptolink）；初創(chuàng)企業(yè) / 設(shè)計(jì)公司（Xphor、DustPhotonics、NewPhotonics、OpenLight、POET Technologies、Centera、AyarLabs、Lightmatter、Lightelligence、Nubis Communications）；研究機(jī)構(gòu)（例如 UCSB、哥倫比亞大學(xué)、斯坦福工程學(xué)院、麻省理工學(xué)院）；代工廠（例如 Tower Semiconductor、GlobalFoundries、AMF (Advanced Micro Foundry)、imec、臺(tái)積電、CompoundTek）；以及設(shè)備供應(yīng)商（例如 Applied Materials、ASML、Aixtron、ficonTEC、Mycronic Vanguard Automation、Shincron）。所有這些參與者都為顯著的增長(zhǎng)和多樣化做出了貢獻(xiàn)。
英特爾是最早研究硅光的巨頭廠商之一，其研究硅光子技術(shù)已經(jīng)超過30年。英特爾稱，從2016 年推出硅光子平臺(tái)后，已出貨超過 800 萬(wàn)個(gè)光子集成電路（PIC）和超過 320 萬(wàn)個(gè)集成片上激光器，這些產(chǎn)品被很多大型云服務(wù)提供商采用。
英特爾的硅光技術(shù)，是用CMOS 制造工藝，把激光器、調(diào)制器、探測(cè)器等光學(xué)器件與電路集成在同一塊硅基片上，實(shí)現(xiàn)電子與光學(xué)結(jié)合。它支持波分復(fù)用（WDM）技術(shù)，能讓單條光纖同時(shí)傳輸多種波長(zhǎng)的光信號(hào)，還有高效的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，使硅光模塊在數(shù)據(jù)中心等場(chǎng)景能提供高性能互連。
其之前推出的100G 和 400G 硅光模塊已經(jīng)大規(guī)模商用，它正在跟云計(jì)算巨頭、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商合作，推動(dòng)硅光技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化和普及。
在去年3月的OFC（光纖通信大會(huì)）上，英特爾展示了OCI（光計(jì)算互聯(lián)）chiplet，就是把一枚硅光芯片die和一片CPU die封裝在一起，組成一個(gè)系統(tǒng)，演示的是兩顆CPU靠光纖通信。
在這個(gè)過程中，OCI chiplet負(fù)責(zé)把CPU的電信號(hào)轉(zhuǎn)成光信號(hào)。英特爾在博客文章里提到，基于英特爾硅光子技術(shù)完全集成的OCI chiplet，雙向傳輸速率能達(dá)到4Tbps，在數(shù)十米距離內(nèi)，單向支持64個(gè)32Gbps數(shù)據(jù)通道，上層協(xié)議跟PCIe Gen 5兼容。
雖說這一技術(shù)尚未進(jìn)入量產(chǎn)，但這則演示顯然是給出了硅光集成技術(shù)未來發(fā)展的可能性的。而且不單是Intel，近一年開始探討光通信技術(shù)的企業(yè)至少還包括了英偉達(dá)、Synopsys等上下游市場(chǎng)參與者。
在去年的GTC大會(huì)上，英偉達(dá)宣布，臺(tái)積電和Synopsys將采用 英偉達(dá)的計(jì)算光刻平臺(tái)進(jìn)行生產(chǎn)，以加速制造并突破下一代先進(jìn)半導(dǎo)體芯片的物理極限。
臺(tái)積電和新思科技已決定在其軟件、制造工藝和系統(tǒng)中集成英偉達(dá)的cuLitho 計(jì)算光刻平臺(tái)，加快芯片制造速度，并在未來支持最新一代英偉達(dá) Blackwell 架構(gòu) GPU。
黃仁勛表示：“計(jì)算光刻技術(shù)是芯片制造的基石。我們與臺(tái)積電和新思科技合作研發(fā)的 cuLitho 技術(shù)，旨在應(yīng)用加速計(jì)算和生成式人工智能，為半導(dǎo)體微縮開辟新的前沿?！?/p>
英偉達(dá)還推出了新的生成式AI 算法，增強(qiáng)了 GPU 加速計(jì)算光刻庫(kù) cuLitho，與當(dāng)前基于 CPU 的方法相比，顯著改善了半導(dǎo)體制造工藝。
而在今年的GTC大會(huì)上，英偉達(dá)又推出 Spectrum-X Photonics，推出一體式封裝光學(xué)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，將 AI 工廠擴(kuò)展至數(shù)百萬(wàn) GPU。與傳統(tǒng)方法相比，它們集成了光學(xué)創(chuàng)新技術(shù)，激光器數(shù)量減少了4 倍，從而實(shí)現(xiàn)了 3.5 倍的能效提升、63 倍的信號(hào)完整性提升、10 倍的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)彈性以及 1.3 倍的部署速度。
黃仁勛表示：“AI 工廠是一種具有超大規(guī)模的新型數(shù)據(jù)中心，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施必須進(jìn)行徹底改造才能跟上步伐。通過將硅光子技術(shù)直接集成到交換機(jī)中，英偉達(dá) 正在打破超大規(guī)模和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的舊有限制，并開啟通往百萬(wàn) GPU AI 工廠的大門?！?/p>
在數(shù)據(jù)通信市場(chǎng)，英特爾以61%的市場(chǎng)份額領(lǐng)跑，思科、博通和其他小公司緊隨其后。在電信領(lǐng)域，思科（Acacia）占據(jù)了近50%的市場(chǎng)份額，Lumentum（Neophotonics）和Marvel（Inphi）緊隨其后，相干可插拔ZR/ZR+模 塊推動(dòng)了電信硅光市場(chǎng)的發(fā)展。在目前市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，中國(guó)廠商份額較少，但國(guó)內(nèi)的中際旭創(chuàng)、新易盛、光迅科技、博創(chuàng)科技、銘普光磁、亨通光電等開始參與競(jìng)爭(zhēng)， 推出了400G、800G甚至1.6T的硅光模塊，旭創(chuàng)1.6T硅光模塊更是采用自研硅光芯片并已處于市場(chǎng)導(dǎo)入期。
去年9月，九峰山實(shí)驗(yàn)室成功點(diǎn)亮集成到硅基芯片內(nèi)部的激光光源，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首次“芯片出光”技術(shù)突破。這一技術(shù)采用自研異質(zhì)集成工藝，在8寸SOI晶圓內(nèi)部完成了磷化銦激光器的工藝集成，利用光信號(hào)替代傳統(tǒng)電信號(hào)進(jìn)行高速傳輸。這一突破不僅標(biāo)志著中國(guó)在硅光芯片領(lǐng)域的自主研發(fā)能力邁上新臺(tái)階，也為未來大規(guī)模商用奠定了基礎(chǔ)。
背后驅(qū)動(dòng)力
硅光芯片的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，正在重塑全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的權(quán)力結(jié)構(gòu)。其之所以能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化的跨越，離不開其背后的核心驅(qū)動(dòng)力。
硅光芯片的最大優(yōu)勢(shì)在于其與現(xiàn)有CMOS工藝的高度兼容性。其核心競(jìng)爭(zhēng)力在于其與現(xiàn)有半導(dǎo)體制造工藝的高度兼容性。傳統(tǒng)光通信器件往往需要復(fù)雜的分立組裝工藝，而硅光芯片通過與CMOS工藝結(jié)合，能夠直接利用現(xiàn)有的晶圓生產(chǎn)線進(jìn)行大規(guī)模制造。這種兼容性不僅大幅降低了生產(chǎn)成本，還使得硅光芯片可以無縫融入現(xiàn)有的半導(dǎo)體供應(yīng)鏈。
此外，新材料體系的應(yīng)用也為硅光芯片的功能拓展提供了更多可能性。磷化銦（InP）、鈮酸鋰（LiNbO3）等材料的引入，彌補(bǔ)了硅本身作為發(fā)光材料的不足，進(jìn)一步提升了芯片的性能。
隨著人工智能、大數(shù)據(jù)和高性能計(jì)算需求的快速增長(zhǎng)，傳統(tǒng)電子芯片在帶寬、功耗和延遲方面的瓶頸逐漸顯現(xiàn)。尤其是在AI大模型訓(xùn)練和推理場(chǎng)景中，海量數(shù)據(jù)的處理需求對(duì)芯片的算力和能效提出了前所未有的挑戰(zhàn)。硅光芯片憑借其高帶寬、低延遲和高能效比特性，成為解決這一難題的關(guān)鍵工具。
數(shù)據(jù)中心是硅光芯片最重要的應(yīng)用場(chǎng)景之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球數(shù)據(jù)中心每年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量已達(dá)到澤字節(jié)（Zettabyte）級(jí)別，傳統(tǒng)的銅纜連接方式在長(zhǎng)距離傳輸中面臨嚴(yán)重的信號(hào)衰減問題，而光纖通信雖然具備高帶寬優(yōu)勢(shì)，但其高昂的成本限制了大規(guī)模普及。硅光芯片通過將光電轉(zhuǎn)換功能集成到單一芯片上，既保留了光纖通信的高帶寬特性，又大幅降低了系統(tǒng)復(fù)雜性和部署成本。以800G光模塊為例，采用硅光技術(shù)的產(chǎn)品相比傳統(tǒng)方案可節(jié)省約30%的功耗，同時(shí)體積縮小40%以上。這些優(yōu)勢(shì)使其成為云計(jì)算廠商和電信運(yùn)營(yíng)商的首選方案。
全面開花
盡管硅光芯片最初主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心和長(zhǎng)距離通信等高端市場(chǎng)，但隨著技術(shù)的成熟和成本的下降，其應(yīng)用場(chǎng)景正在迅速擴(kuò)展至多個(gè)新興領(lǐng)域。硅光子技術(shù)正逐步成為智能駕駛、光計(jì)算及消費(fèi)電子領(lǐng)域突破性創(chuàng)新的核心驅(qū)動(dòng)力。
在智能駕駛領(lǐng)域，硅光固態(tài)激光雷達(dá)技術(shù)路線被視為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用的關(guān)鍵路徑。當(dāng)前激光雷達(dá)多依賴分立器件集成，面臨成本高、體積大、功耗及可靠性不足等瓶頸，而硅光芯片化方案通過CMOS工藝兼容的高密度集成，顯著降低了系統(tǒng)復(fù)雜度與制造成本。具體而言，硅基相控陣與光開關(guān)陣列兩種固態(tài)激光雷達(dá)方案，憑借其小型化、抗振動(dòng)特性，正推動(dòng)激光雷達(dá)從機(jī)械式向全固態(tài)演進(jìn)。
Mobileye推出的硅光子激光雷達(dá)SoC（系統(tǒng)級(jí)芯片）采用調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）技術(shù)，計(jì)劃于今年落地。該方案將多路激光發(fā)射、接收與信號(hào)處理單元集成于單一硅基芯片，體積縮小至傳統(tǒng)機(jī)械式雷達(dá)的1/10，同時(shí)成本降低至數(shù)百美元級(jí)別，滿足車規(guī)級(jí)可靠性要求。
不僅如此，硅光子技術(shù)在光計(jì)算領(lǐng)域的潛力同樣備受關(guān)注。隨著算力需求激增與傳統(tǒng)電子計(jì)算的能效瓶頸凸顯，光計(jì)算憑借其并行處理、低功耗及抗干擾優(yōu)勢(shì)，成為突破馮·諾依曼架構(gòu)限制的前沿方向。硅光平臺(tái)依托成熟的半導(dǎo)體工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)光波導(dǎo)、調(diào)制器等核心元件的納米級(jí)集成，為光量子計(jì)算芯片提供高密度、可編程的硬件基礎(chǔ)。硅基波導(dǎo)可穩(wěn)定生成與操控光子糾纏態(tài)，而可編程光開關(guān)陣列支持量子態(tài)的高效路由。文獻(xiàn)顯示，硅光芯片已實(shí)現(xiàn)128模態(tài)的高斯玻色采樣，集成度較分立器件方案提升50倍，驗(yàn)證了其在量子比特?cái)U(kuò)展中的可行性。這一進(jìn)展被視作光量子計(jì)算走向?qū)嵱没闹匾锍瘫?/p>
在消費(fèi)電子領(lǐng)域，硅光子技術(shù)的高集成特性完美契合了設(shè)備小型化趨勢(shì)?？纱┐髟O(shè)備、生物醫(yī)療傳感器等場(chǎng)景對(duì)空間利用率要求嚴(yán)苛，而硅光芯片可在微米尺度內(nèi)整合光源、探測(cè)器與信號(hào)處理單元，顯著提升功能密度。其在微型化光譜分析、健康監(jiān)測(cè)等場(chǎng)景的應(yīng)用正逐步從實(shí)驗(yàn)室走向商業(yè)化。Meta與硅光芯片廠商合作開發(fā)的光學(xué)模組，通過集成硅光調(diào)制器和波導(dǎo)，將圖像傳輸功耗降低40%，同時(shí)支持8K分辨率輸出這種跨領(lǐng)域的技術(shù)滲透，標(biāo)志著硅光子從單一芯片制造向系統(tǒng)級(jí)解決方案的跨越式發(fā)展。
結(jié)語(yǔ)
這場(chǎng)以光子替代電子的技術(shù)革命，不僅是對(duì)傳統(tǒng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的一次顛覆性創(chuàng)新，更開啟了通向"光電融合時(shí)代"的大門。面向未來，硅光芯片的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程仍面臨多重挑戰(zhàn)。如何在提升集成度的同時(shí)控制熱效應(yīng)？怎樣實(shí)現(xiàn)III-V族材料與硅基工藝的更優(yōu)異質(zhì)集成？能否突破光量子計(jì)算的可擴(kuò)展性瓶頸？這些問題的答案將決定技術(shù)演進(jìn)的深度與廣度。
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