打破摩爾定律 硅光芯片離我們有多遠

全球芯片制造巨頭臺積電正大舉押注芯片制造領(lǐng)域的下一代最前沿技術(shù) —— 硅光芯片。

據(jù)媒體消息，臺積電攜手博通、英偉達等大客戶共同開發(fā)硅光子技術(shù)、共同封裝光學(xué)元件等新產(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，2025年有望邁入放量產(chǎn)出階段。

摩爾定律逼近極限

摩爾定律逼近極限已很大程度上導(dǎo)致傳統(tǒng)電子芯片性能強化幅度放緩，而硅光芯片則提供了一種基于光技術(shù)的性能強化方案，使得芯片性能在納米制程技術(shù)受限的情況下繼續(xù)擴張。

同時隨著AI時代到來，全球算力需求迎來爆炸式增長，具備極高性能的芯片需求日益增長，這也使得結(jié)合光學(xué)技術(shù)與硅基集成電路的硅光芯片在芯片制造領(lǐng)域的重要性愈發(fā)凸顯。

作為下一代的半導(dǎo)體技術(shù)，其技術(shù)本身的起步已很早就開始：早在1985年，被譽為“硅基光電子之父”的理查德·索里夫，首次提出并驗證了單晶硅作為通信波長的導(dǎo)波材料。這意味著在硅基平臺上成功“捕獲”了光子，實現(xiàn)了光子器件集成于硅片之上。

21世紀初開始，以英特爾和IBM為首的企業(yè)與學(xué)術(shù)機構(gòu)就開始重點發(fā)展硅芯片光學(xué)信號傳輸技術(shù)，期望有朝一日能用光通路取代芯片之間的數(shù)據(jù)電路。

2010年，英特爾開發(fā)出首個50Gb/s超短距硅基集成光收發(fā)芯片后，硅光芯片開始進入產(chǎn)業(yè)化階段。隨后歐美一批傳統(tǒng)集成電路和光電巨頭通過并購迅速進入硅光子領(lǐng)域搶占高地。

業(yè)內(nèi)人士將硅光技術(shù)的發(fā)展分為三個階段：

· 第一階段是利用硅制造光通信底層設(shè)備，實現(xiàn)工藝標準化。

· 第二階段是集成技術(shù)從耦合集成演變?yōu)閱纹?，實現(xiàn)部分集成，然后通過不同設(shè)備的組合集成不同的芯片。

· 第三階段是光電集成技術(shù)集成，實現(xiàn)光電集成。

在之前，硅光子技術(shù)并沒有受到過多的重視和討論，除了在發(fā)展過程中面臨的工藝難度和成本考量，核心還是芯片行業(yè)從未像今天這樣急迫地追求更高效率的芯片互連和高算力、高帶寬。

在制造工藝上，硅光芯片和電子芯片雖然在流程和復(fù)雜程度上相似，但硅光芯片對結(jié)構(gòu)的要求不像電子芯片那樣嚴苛，一般是百納米級。這大大降低了對先進工藝的依賴，在一定程度上緩解了當(dāng)前芯片發(fā)展的瓶頸問題。

什么是硅光芯片？

硅光芯片是一種利用硅基材料和工藝，將光電子器件集成在同一芯片上的新型集成電路。硅光芯片主要由調(diào)制器、探測器、無源波導(dǎo)器件等組成，它可以將多種光器件集成在同一硅基襯底上，實現(xiàn)光信號的產(chǎn)生、傳輸、控制和檢測等功能。

· 光源：生產(chǎn)光信號的器具，通常采用激光器或LED。

· 光波導(dǎo)：將光信號導(dǎo)到需要的位置，通常采用硅基光波導(dǎo)。

· 調(diào)制器：用于調(diào)制光信號的強度、相位或頻率，通常采用光電調(diào)制器。

· 探測器：將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的器具，通常采用光電二極管或光電探測器。

隨著技術(shù)的快速發(fā)展和計算機處理速度的提高，芯片之間的通信已經(jīng)成為影響計算性能的關(guān)鍵因素。事實上，在今天數(shù)以億計的電子設(shè)備中，連接芯片到電路板，連接芯片到芯片的還是金屬導(dǎo)線。硅光子通過提高光電傳輸?shù)乃俣?，解決當(dāng)前計算機組件中布線的信號損失和熱量問題。

在芯片技術(shù)的發(fā)展過程中，隨著芯片制程的逐步縮小，在每個芯片上除了數(shù)百億個晶體管，還需要十幾層金屬連線將這些晶體管連接起來，互連線引起的各種效應(yīng)已經(jīng)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，而硅光芯片則有可能解決這一問題。

互連線相當(dāng)于微電子設(shè)備中的街道和高速公路，當(dāng)芯片越來越小時，互聯(lián)線需要越來越細，互聯(lián)線間距縮小，電子元件之間的寄生效應(yīng)也會越來越影響電路的性能。并且銅和其他常見的碳納米管等這些材料的互聯(lián)線會遇到物理極限，而光互連則不然。 

硅光子技術(shù)最大的優(yōu)點是傳輸速率相當(dāng)高，可以使處理器內(nèi)核之間的數(shù)據(jù)傳輸速度快100倍甚至更高，功率效率也很高（意味著更低功耗），因此被認為是新一代半導(dǎo)體技術(shù)。硅光學(xué)技術(shù)的目標是將光電轉(zhuǎn)換和傳輸模塊集成到芯片中，并將芯片之間的光信號轉(zhuǎn)換為可能。

硅光芯片是以硅光子學(xué)為基礎(chǔ)的低成本、高速的光通信技術(shù)，利用基于硅材料的CMOS微電子工藝實現(xiàn)光子器件的集成制備，融合了CMOS技術(shù)的超大規(guī)模邏輯、超高精度制造的特性以及光子技術(shù)超高速率、超低功耗的優(yōu)勢，把原本分離器件眾多的光、電元件縮小集成到一個獨立微芯片中，實現(xiàn)高集成度、低成本、高速光傳輸。

硅光芯片面臨哪些挑戰(zhàn)？

首先，硅光芯片需要考慮相對較高的成本。受大量光學(xué)設(shè)備的限制，以及硅光器件需要使用各種材料，在之前缺乏大規(guī)模需求的情況下，硅光芯片已成為一種“高價、低性價比”產(chǎn)品。

其次，很難保證產(chǎn)品的性能和產(chǎn)量，硅光芯片在各個環(huán)節(jié)都缺乏標準化解決方案。需要考慮電子器件和光學(xué)器件之間的協(xié)同設(shè)計和優(yōu)化，以及不同材料之間的界面匹配和耦合問題，目前還缺乏成熟的EDA工具和標準化方案來支持硅光芯片的設(shè)計。

在制造和封裝過程中，類似臺積電、三星等大型晶圓代工廠均未提供硅光工藝晶圓代工服務(wù)。硅光芯片需要采用多種材料和工藝來制作不同類型的器件，如SOI、LNO、InP等，這增加了制造過程的復(fù)雜度和成本，并影響了良品率和性能；硅光芯片實現(xiàn)電子信號和光信號之間的轉(zhuǎn)換和傳輸，這還需要采用先進的封裝技術(shù)來保證信號質(zhì)量和穩(wěn)定性。

目前主流的硅光芯片先進封裝技術(shù)包括以下幾種：垂直集成封裝（Vertical Integration Packaging）、共封裝光學(xué)（Co-Packaged Optics，CPO）、光纖封裝（Fiber Attach Packaging）、波導(dǎo)板封裝（Waveguide-Based Packaging）、玻璃基板封裝（Glass Substrate Packaging）。

先進的芯片封裝已經(jīng)成為全球最大規(guī)模的幾家芯片制造商 —— 英特爾、三星和臺積電，都非常感興趣的一個重要領(lǐng)域，因為2.5D/3D等先進芯片封裝技術(shù)正在幫助他們制造出性能更加強大的芯片。

對于硅光芯片，半導(dǎo)體業(yè)界推出的解決方案是將硅光子光學(xué)元件及交換器特殊應(yīng)用芯片（ASIC），透過CPO封裝技術(shù)整合為單一模塊，此方案已開始獲得微軟、Meta等大廠認證并采用在新一代網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，預(yù)計最快CPO市場2024年將出現(xiàn)爆發(fā)式增長。

硅光芯片有哪些應(yīng)用？

硅光芯片在尺寸、速率、功耗等方面具有獨特優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于光通信（5G）、數(shù)據(jù)中心、人工智能、醫(yī)療檢測、高階計算、自動駕駛、國防等領(lǐng)域。

光通信：硅光芯片可以實現(xiàn)高速光收發(fā)模塊，支持數(shù)據(jù)中心和5G基礎(chǔ)設(shè)施的高速信息傳輸。例如，華為和光迅科技等企業(yè)已經(jīng)推出了基于硅光芯片的800G光模塊。

人工智能：硅光芯片可以實現(xiàn)高性能數(shù)據(jù)交換和計算，支持人工智能算法的快速運行。例如，英特爾和IBM等企業(yè)已經(jīng)開發(fā)了基于硅光芯片的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器。

激光雷達：硅光芯片可以實現(xiàn)高度集成的激光發(fā)射和接收器件，支持自動駕駛和機器人等場景的精準測距和定位。例如，MIT和OURS等團隊已經(jīng)推出了基于硅光芯片的激光雷達產(chǎn)品。

量子通信：硅光芯片可以實現(xiàn)復(fù)雜的光路控制和高集成度，支持量子糾纏態(tài)的制備和操控。例如，北大團隊已經(jīng)發(fā)表了基于硅光芯片的量子糾纏芯片的設(shè)計?！　?/p>

硅光領(lǐng)域的主要玩家

我們可能處在一個新時代的開端。從上世紀提出「硅光子」的概念，到2010年英特爾造出全球首個硅光芯片，硅光子技術(shù)似乎終于迎來了爆發(fā)的前夜。

國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會（SEMI）預(yù)測數(shù)據(jù)顯示，到2030年，全球硅光子學(xué)半導(dǎo)體市場規(guī)模預(yù)計將達到78.6億美元，預(yù)計復(fù)合年增長率將達到25.7%，從2022年的僅僅12.6億美元規(guī)模大幅增加。

據(jù)行業(yè)人士判斷，光電封裝或?qū)⑹前l(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。根據(jù)市場調(diào)研機構(gòu)CIR的數(shù)據(jù)，到2027年，共封裝光學(xué)市場收入將達到54億美元。

目前來看，硅光領(lǐng)域的主要玩家仍是半導(dǎo)體設(shè)計企業(yè)。英特爾、臺積電和思科等科技巨頭長期以來一直致力于開發(fā)自己的硅光子學(xué)解決方案和硅光子系統(tǒng)，占據(jù)了硅光芯片和模塊出貨量的大部分，成為業(yè)內(nèi)領(lǐng)頭羊。

英特爾研究硅光技術(shù)20多年，2016年將硅光子產(chǎn)品100GPSM4投入商用100GPSM4和100GCWDM4硅光模塊已累計出貨超400萬只，200GFR4及400GDR4正在研發(fā)。

前不久英特爾收購的高塔半導(dǎo)體，在今年1月份 ，高塔半導(dǎo)體聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備公司瞻博網(wǎng)絡(luò)（Juniper Networks）推出硅光子代工工藝，該平臺可將III-V族激光器、半導(dǎo)體光放大器（SOA）、電吸收調(diào)制器（EAM）和光電探測器與硅光子器件共同集成在一顆單芯片上，構(gòu)成尺寸更小、具有更多通道數(shù)且更節(jié)能的光學(xué)架構(gòu)和解決方案。

臺積電推出了用于硅光子芯片的先進封裝技術(shù) —— COUPE（compactuniversal photonic engine，緊湊型通用光子引擎）異構(gòu)集成技術(shù)。

思科于2012年、2019年收購Lightwire、Luxtera（硅光市占率35%）及Acacia公司，布局硅光領(lǐng)域。

英偉達是全球目前市值最高的芯片公司，為數(shù)據(jù)中心服務(wù)器提供動力加速器以開發(fā)/運行大型語言模型的芯片方面擁有最大的市場，也在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，這是英偉達史上最大規(guī)模的一筆收購交易。

晶圓代工公司格芯（GlobalFoundries）于2022年3月份推出了硅光子平臺Fotonix，作為一個單片平臺，F(xiàn)otonix實現(xiàn)了多項復(fù)雜工藝整合至單個芯片的功能，把光子系統(tǒng)、射頻（RF）組件和高性能互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）邏輯集成到單個硅片上。平臺合作伙伴包括4家頂級光子收發(fā)器供應(yīng)商中的3家、5家頂級網(wǎng)絡(luò)公司中的4家、4家領(lǐng)先的EDA和仿真公司中的3家，以及一些最有前途的基于光子學(xué)的初創(chuàng)公司。

阿里云與Elenion合作推出自研硅光模塊2019年9月宣布推出基于硅光技術(shù)的400GDR4光模塊。華為收購英國光子集成公司CIP和比利時硅光子公司Caliopa小型高容量硅光芯片。