巨頭入場，硅光芯片迎來機遇

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)的電子器件與光學器件結(jié)合，實現(xiàn)了光信號的產(chǎn)生、傳輸、調(diào)制和探測等功能。這一技術的核心價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，為下一代信息技術提供全新的解決方案。

據(jù) Yole 報告，2023 年，硅基 PIC（芯片）市場規(guī)模為 9500 萬美元，預計到 2029 年將增長至 8.63 億美元以上，復合年增長率 (CAGR2023-2029) 為 45%。

硅光芯片的發(fā)展可以追溯到 20 世紀 60 年代，當時美國貝爾實驗室首次提出「集成光學」的概念。然而，在此后的幾十年里，由于工藝技術的限制以及市場需求的不足，硅光芯片始終未能走出實驗室階段。直到進入 21 世紀，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，更是推動了這一技術的快速發(fā)展。

近年來，AI 大模型訓練、高性能計算和 5G 通信等新興場景對數(shù)據(jù)傳輸速率和能效比提出了更高要求，進一步加速了硅光芯片的技術迭代。根據(jù)業(yè)內(nèi)人士的分析，硅光子技術正逐步從高端市場向消費級市場滲透，成為繼 CMOS 之后最具潛力的技術平臺之一。

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) / 設計公司（Xphor、DustPhotonics、NewPhotonics、OpenLight、POET Technologies、Centera、AyarLabs、Lightmatter、Lightelligence、Nubis Communications）；研究機構(gòu)（例如 UCSB、哥倫比亞大學、斯坦福工程學院、麻省理工學院）；代工廠（例如 Tower Semiconductor、GlobalFoundries、AMF (Advanced Micro Foundry)、imec、臺積電、CompoundTek）；以及設備供應商（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和多樣化做出了貢獻。

英特爾是最早研究硅光的巨頭廠商之一，其研究硅光子技術已經(jīng)超過30 年。英特爾稱，從 2016 年推出硅光子平臺后，已出貨超過 800 萬個光子集成電路（PIC）和超過 320 萬個集成片上激光器，這些產(chǎn)品被很多大型云服務提供商采用。

英特爾的硅光技術，是用 CMOS 制造工藝，把激光器、調(diào)制器、探測器等光學器件與電路集成在同一塊硅基片上，實現(xiàn)電子與光學結(jié)合。它支持波分復用（WDM）技術，能讓單條光纖同時傳輸多種波長的光信號，還有高效的光電轉(zhuǎn)換技術，使硅光模塊在數(shù)據(jù)中心等場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，它正在跟云計算巨頭、網(wǎng)絡設備商合作，推動硅光技術標準化和普及。

在去年 3 月的 OFC（光纖通信大會）上，英特爾展示了 OCI（光計算互聯(lián)）chiplet，就是把一枚硅光芯片 die 和一片 CPU die 封裝在一起，組成一個系統(tǒng)，演示的是兩顆 CPU 靠光纖通信。

在這個過程中，OCI chiplet 負責把 CPU 的電信號轉(zhuǎn)成光信號。英特爾在博客文章里提到，基于英特爾硅光子技術完全集成的 OCI chiplet，雙向傳輸速率能達到 4Tbps，在數(shù)十米距離內(nèi)，單向支持 64 個 32Gbps 數(shù)據(jù)通道，上層協(xié)議跟 PCIe Gen 5 兼容。

雖說這一技術尚未進入量產(chǎn)，但這則演示顯然是給出了硅光集成技術未來發(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的企業(yè)至少還包括了英偉達、Synopsys 等上下游市場參與者。

在去年的 GTC 大會上，英偉達宣布，臺積電和 Synopsys 將采用 英偉達的計算光刻平臺進行生產(chǎn)，以加速制造并突破下一代先進半導體芯片的物理極限。

臺積電和新思科技已決定在其軟件、制造工藝和系統(tǒng)中集成英偉達的 cuLitho 計算光刻平臺，加快芯片制造速度，并在未來支持最新一代英偉達 Blackwell 架構(gòu) GPU。

黃仁勛表示：「計算光刻技術是芯片制造的基石。我們與臺積電和新思科技合作研發(fā)的 cuLitho 技術，旨在應用加速計算和生成式人工智能，為半導體微縮開辟新的前沿?！?/span>

英偉達還推出了新的生成式 AI 算法，增強了 GPU 加速計算光刻庫 cuLitho，與當前基于 CPU 的方法相比，顯著改善了半導體制造工藝。

而在今年的GTC 大會上，英偉達又推出 Spectrum-X Photonics，推出一體式封裝光學網(wǎng)絡交換機，將 AI 工廠擴展至數(shù)百萬 GPU。與傳統(tǒng)方法相比，它們集成了光學創(chuàng)新技術，激光器數(shù)量減少了 4 倍，從而實現(xiàn)了 3.5 倍的能效提升、63 倍的信號完整性提升、10 倍的大規(guī)模網(wǎng)絡彈性以及 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)絡基礎設施必須進行徹底改造才能跟上步伐。通過將硅光子技術直接集成到交換機中，英偉達 正在打破超大規(guī)模和企業(yè)網(wǎng)絡的舊有限制，并開啟通往百萬 GPU AI 工廠的大門?！?/span>

在數(shù)據(jù)通信市場，英特爾以 61% 的市場份額領跑，思科、博通和其他小公司緊隨其后。在電信領域，思科（Acacia）占據(jù)了近 50% 的市場份額，Lumentum（Neophotonics）和 Marvel（Inphi）緊隨其后，相干可插拔 ZR/ZR+模 塊推動了電信硅光市場的發(fā)展。在目前市場競爭中，中國廠商份額較少，但國內(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爭，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導入期。

去年9 月，九峰山實驗室成功點亮集成到硅基芯片內(nèi)部的激光光源，實現(xiàn)了國內(nèi)首次「芯片出光」技術突破。這一技術采用自研異質(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，利用光信號替代傳統(tǒng)電信號進行高速傳輸。這一突破不僅標志著中國在硅光芯片領域的自主研發(fā)能力邁上新臺階，也為未來大規(guī)模商用奠定了基礎。

背后驅(qū)動力

硅光芯片的產(chǎn)業(yè)化進程，正在重塑全球半導體產(chǎn)業(yè)鏈的權力結(jié)構(gòu)。其之所以能夠在短時間內(nèi)實現(xiàn)從實驗室到產(chǎn)業(yè)化的跨越，離不開其背后的核心驅(qū)動力。

硅光芯片的最大優(yōu)勢在于其與現(xiàn)有CMOS 工藝的高度兼容性。其核心競爭力在于其與現(xiàn)有半導體制造工藝的高度兼容性。傳統(tǒng)光通信器件往往需要復雜的分立組裝工藝，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)有的半導體供應鏈。

此外，新材料體系的應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，彌補了硅本身作為發(fā)光材料的不足，進一步提升了芯片的性能。

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)和高性能計算需求的快速增長，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 大模型訓練和推理場景中，海量數(shù)據(jù)的處理需求對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鍵工具。

數(shù)據(jù)中心是硅光芯片最重要的應用場景之一。據(jù)統(tǒng)計，全球數(shù)據(jù)中心每年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量已達到澤字節(jié)（Zettabyte）級別，傳統(tǒng)的銅纜連接方式在長距離傳輸中面臨嚴重的信號衰減問題，而光纖通信雖然具備高帶寬優(yōu)勢，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)復雜性和部署成本。以 800G 光模塊為例，采用硅光技術的產(chǎn)品相比傳統(tǒng)方案可節(jié)省約 30% 的功耗，同時體積縮小 40% 以上。這些優(yōu)勢使其成為云計算廠商和電信運營商的首選方案。

全面開花

盡管硅光芯片最初主要應用于數(shù)據(jù)中心和長距離通信等高端市場，但隨著技術的成熟和成本的下降，其應用場景正在迅速擴展至多個新興領域。硅光子技術正逐步成為智能駕駛、光計算及消費電子領域突破性創(chuàng)新的核心驅(qū)動力。

在智能駕駛領域，硅光固態(tài)激光雷達技術路線被視為實現(xiàn)大規(guī)模商用的關鍵路徑。當前激光雷達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)復雜度與制造成本。具體而言，硅基相控陣與光開關陣列兩種固態(tài)激光雷達方案，憑借其小型化、抗振動特性，正推動激光雷達從機械式向全固態(tài)演進。

Mobileye 推出的硅光子激光雷達 SoC（系統(tǒng)級芯片）采用調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）技術，計劃于今年落地。該方案將多路激光發(fā)射、接收與信號處理單元集成于單一硅基芯片，體積縮小至傳統(tǒng)機械式雷達的 1/10，同時成本降低至數(shù)百美元級別，滿足車規(guī)級可靠性要求。

不僅如此，硅光子技術在光計算領域的潛力同樣備受關注。隨著算力需求激增與傳統(tǒng)電子計算的能效瓶頸凸顯，光計算憑借其并行處理、低功耗及抗干擾優(yōu)勢，成為突破馮·諾依曼架構(gòu)限制的前沿方向。硅光平臺依托成熟的半導體工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)光波導、調(diào)制器等核心元件的納米級集成，為光量子計算芯片提供高密度、可編程的硬件基礎。硅基波導可穩(wěn)定生成與操控光子糾纏態(tài)，而可編程光開關陣列支持量子態(tài)的高效路由。文獻顯示，硅光芯片已實現(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，驗證了其在量子比特擴展中的可行性。這一進展被視作光量子計算走向?qū)嵱没闹匾锍瘫?/span>

在消費電子領域，硅光子技術的高集成特性完美契合了設備小型化趨勢。可穿戴設備、生物醫(yī)療傳感器等場景對空間利用率要求嚴苛，而硅光芯片可在微米尺度內(nèi)整合光源、探測器與信號處理單元，顯著提升功能密度。其在微型化光譜分析、健康監(jiān)測等場景的應用正逐步從實驗室走向商業(yè)化。Meta 與硅光芯片廠商合作開發(fā)的光學模組，通過集成硅光調(diào)制器和波導，將圖像傳輸功耗降低 40%，同時支持 8K 分辨率輸出這種跨領域的技術滲透，標志著硅光子從單一芯片制造向系統(tǒng)級解決方案的跨越式發(fā)展。

結(jié)語

這場以光子替代電子的技術革命，不僅是對傳統(tǒng)半導體產(chǎn)業(yè)的一次顛覆性創(chuàng)新，更開啟了通向"光電融合時代"的大門。面向未來，硅光芯片的產(chǎn)業(yè)化進程仍面臨多重挑戰(zhàn)。如何在提升集成度的同時控制熱效應？怎樣實現(xiàn) III-V 族材料與硅基工藝的更優(yōu)異質(zhì)集成？能否突破光量子計算的可擴展性瓶頸？這些問題的答案將決定技術演進的深度與廣度。