下一代AI算力“革命性技術(shù)”，臺積電押注“硅光芯片”，芯片業(yè)“彎道超車(chē)”的機會(huì )出現了？

全球最大芯片制造商臺積電正在大舉押注新興半導體領(lǐng)域——硅光芯片。

據媒體報道，臺積電已組建了一支約200人的研發(fā)團隊，瞄準明年即將到來(lái)的硅光子超高速芯片商機；該公司不僅正在積極推進(jìn)硅光子技術(shù)，還在與博通和英偉達等大客戶(hù)進(jìn)行談判，共同開(kāi)發(fā)以該技術(shù)為中心的應用。

報道稱(chēng)，此次合作旨在生產(chǎn)下一代硅光子芯片，相關(guān)制程技術(shù)涵蓋45nm至7nm，預計最快將于2024年下半年開(kāi)始迎來(lái)大單。

臺積電系統集成探路副總裁余振華此前表示：

“如果我們能夠提供良好的硅光子整合系統……我們就可以解決AI的能源效率和計算能力的關(guān)鍵問(wèn)題。這將是一個(gè)新的范式轉變。我們可能正處于一個(gè)新時(shí)代的開(kāi)端?！?/p>

他說(shuō)，一個(gè)更好、更集成的硅光子系統是運行大型語(yǔ)言模型（支撐ChatGPT和Bard等聊天機器人的技術(shù)）和其他人工智能計算應用程序所需的強大計算能力的驅動(dòng)力。

什么是硅光技術(shù)？

硅光子技術(shù)是一種光通信技術(shù)，使用激光束代替電子半導體信號傳輸數據，是基于硅和硅基襯底材料，利用現有CMOS工藝進(jìn)行光器件開(kāi)發(fā)和集成的新一代技術(shù)。最大的優(yōu)勢在于擁有相當高的傳輸速率，可使處理器內核之間的數據傳輸速度快100倍甚至更高，功率效率也非常高，因此被認為是新一代半導體技術(shù)。

在芯片技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，隨著(zhù)芯片制程的逐步縮小，互連線(xiàn)引起的各種效應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(wèn)題。

互連線(xiàn)相當于微型電子器件內部的街道和高速公路，可將晶體管、電阻、電容等各個(gè)元件連接起來(lái)，并與外界進(jìn)行互動(dòng)交流。當芯片越做越小時(shí)，互聯(lián)線(xiàn)也需要越來(lái)越細，互連線(xiàn)間距縮小，電子元件之間引起的寄生效應也會(huì )越來(lái)越影響電路的性能。常見(jiàn)的互連線(xiàn)材料諸如鋁、銅、碳納米管等，而這些材質(zhì)的互聯(lián)線(xiàn)無(wú)疑都會(huì )遇到物理極限。

光互連則不然。

并且，基于計算機與通信網(wǎng)絡(luò )化的信息技術(shù)也希望其功能器件和系統具有更快的處理速度、更大的數據存儲容量和更高的傳輸速率。這時(shí)僅僅利用電子作為信息載體的硅集成電路技術(shù)已經(jīng)難以滿(mǎn)足上述要求。

隨著(zhù)云計算、大數據、人工智能的快速發(fā)展，社會(huì )對于信息獲取與處理效率的需求持續攀升，但摩爾定律失效在即，硅光技術(shù)正憑借其在高傳輸速率、高能效比、超低延遲等方面的突出優(yōu)勢，成為半導體領(lǐng)域競爭的另一條賽道。

并不是一項剛剛誕生的新技術(shù)

其實(shí)，硅光子技術(shù)并不是一項剛剛誕生的新技術(shù)。

早在1969年，美國的貝爾實(shí)驗室的S.E.Miller首次提出了集成光學(xué)的概念，但是由于InP波導的高損耗和工藝落后難以實(shí)現大規模集成，這一技術(shù)在當時(shí)未能掀起波瀾。

之后將這一技術(shù)發(fā)揚光大的是英特爾。

21世紀初開(kāi)始，以英特爾和IBM為首的企業(yè)與學(xué)術(shù)機構就開(kāi)始重點(diǎn)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據電路，以延續摩爾定律。

2010年，英特爾開(kāi)發(fā)出首個(gè)50Gb/s超短距硅基集成光收發(fā)芯片后，硅光芯片開(kāi)始進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。隨后歐美一批傳統集成電路和光電巨頭通過(guò)并購迅速進(jìn)入硅光子領(lǐng)域搶占高地。目前英特爾也是在硅光領(lǐng)域布局最全面的公司。

在制造工藝上，光子芯片和電子芯片雖然在流程和復雜程度上相似，但光子芯片對結構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(jìn)工藝的依賴(lài)，在一定程度上緩解了當前芯片發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。

業(yè)內人士將硅光技術(shù)的發(fā)展分為三個(gè)階段：

第一階段是，用硅把光通信底層器件做出來(lái)，達到工藝的標準化。

第二階段是，集成技術(shù)從耦合集成向單片集成演進(jìn)，實(shí)現部分集成，再把這些器件通過(guò)不同器件的組合，集成不同的芯片。

第三階段是，光電一體技術(shù)融合，實(shí)現光電全集成化。

目前硅光技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了第二個(gè)階段。

預計最快2024年會(huì )出現爆發(fā)式增長(cháng)

分析人士稱(chēng)，如20世紀70年代的微電子技術(shù)一般，硅光產(chǎn)業(yè)正處于前期擴張階段，未來(lái)更是有望成為媲美集成電路龐大規模的產(chǎn)業(yè)，拉動(dòng)萬(wàn)億市場(chǎng)。

正因如此，諸如英特爾、IBM、Oracle、中興通訊等著(zhù)名的半導體企業(yè)和信息技術(shù)企業(yè)，正投入大量的人力和財力推進(jìn)硅光的產(chǎn)業(yè)化。

這其中的標志性事件，便是注重規模效應的晶圓代工公司格芯（GlobalFoundries）于2022年3月份推出了硅光子平臺Fotonix，以此布局90WG和45CLO工藝節點(diǎn)以及封裝工藝，平臺合作伙伴包括4家頂級光子收發(fā)器供應商中的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。

報道稱(chēng)，隨著(zhù)臺積電、英特爾、英偉達、博通等國際半導體巨頭都陸續開(kāi)展硅光子及共封裝光學(xué)（CPO）技術(shù)，預計最快2024年該市場(chǎng)會(huì )出現爆發(fā)式增長(cháng)。

據行業(yè)人士判斷，光電封裝或將是發(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。根據市場(chǎng)調研機構CIR的數據，到2027年，共封裝光學(xué)市場(chǎng)收入將達到54億美元。

此外，據國際半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì )（SEMI）估計，到2030年，全球硅光芯片市場(chǎng)規模預計將從2022年的12.6億美元增至78.6億美元，復合年增長(cháng)率達到25.7%。

兵家必爭之地

硅光芯片已成為半導體行業(yè)的一個(gè)密集投資領(lǐng)域，眾多科技公司都在關(guān)注其在數據中心、超級計算機和網(wǎng)絡(luò )設備、無(wú)人駕駛汽車(chē)和國防雷達系統等各個(gè)領(lǐng)域的潛在用途。

不只是英特爾、思科和IBM，英偉達也在2021年以69億美元現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模的一筆收購交易。

華為多年來(lái)也在一直投資開(kāi)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。

縱觀(guān)硅光子在全球的發(fā)展情況，美國是硅光子最先興起的，也是目前發(fā)展最超前的國家。

中國真正開(kāi)始大規模研究硅光子是在2010年左右，之前多為學(xué)術(shù)上的研究，起步晚導致中國在硅光子的產(chǎn)品化進(jìn)程上不如美國。但中國對于硅光子技術(shù)研發(fā)方面人才和資金的大規模投入，使得國內硅光產(chǎn)業(yè)與國外差距并沒(méi)有十年之久。

2017年中國的硅光產(chǎn)業(yè)迎來(lái)快速發(fā)展。

從產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)展看，全球硅光產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)逐漸成熟，從基礎研發(fā)到商業(yè)應用的各個(gè)環(huán)節均有代表性的企業(yè)。

其中以英特爾、思科、Inphi為代表的美國企業(yè)占據了硅光芯片和模塊出貨量的大部分，成為業(yè)內領(lǐng)頭羊。

國內廠(chǎng)商主要有中際旭創(chuàng )、熹聯(lián)光芯、華工科技、新易盛、光迅科技、博創(chuàng )科技、華為、亨通光電等。

雖然國產(chǎn)廠(chǎng)商進(jìn)入該領(lǐng)域較晚，市場(chǎng)份額相對較小，但是通過(guò)近年來(lái)在技術(shù)上的快速追趕，國產(chǎn)廠(chǎng)商與國外廠(chǎng)商在技術(shù)上的差距已經(jīng)在逐步縮小。

硅光的應用場(chǎng)景

光通信領(lǐng)域是硅光芯片的主要應用場(chǎng)景。

目前，產(chǎn)業(yè)內已基本建立了面向數據中心、光纖傳輸、5G承載網(wǎng)、光接入等市場(chǎng)的系列硅光通信產(chǎn)品解決方案，其中數據中心光通信是硅光的最大市場(chǎng)，微軟的內部數據中心互連有超過(guò)40%是基于硅光芯片實(shí)現。

數據中心場(chǎng)景下，CSP和云提供商（諸如Facebook、Apple、騰訊等）正轉向大規模數據中心，Capex支出持續提升以支持客戶(hù)的高帶寬需求，通信速率正由100、200G向400G、800G、1.6T、3.2T迭代，而且迭代周期持續縮短。

在此背景下，傳統的可插拔光模塊在性?xún)r(jià)比及功耗方面已然“捉襟見(jiàn)肘”，而高集成高速硅光芯片由于在潛在降價(jià)空間與功耗方面有明顯優(yōu)勢，則成為更優(yōu)越的選項。

業(yè)界分析，高速數據傳輸目前仍采用可插拔光學(xué)元件，隨著(zhù)傳輸速度快速發(fā)展并進(jìn)入800G時(shí)代，以及未來(lái)進(jìn)入1.6T至3.2T等更高傳輸速率，功率損耗、散熱管理將會(huì )是最大難題。半導體業(yè)界提出的方案是，將硅光子光學(xué)元件及交換器特殊應用芯片（ASIC），通過(guò)CPO封裝技術(shù)整合為單一模組。此方案已開(kāi)始獲得微軟、Meta等大廠(chǎng)采用，并應用于新一代網(wǎng)絡(luò )架構。

不過(guò)，即便CPO技術(shù)有望很快量產(chǎn)，但初期生產(chǎn)成本仍偏高。隨著(zhù)先進(jìn)制程推進(jìn)到3nm節點(diǎn)，AI運算將推動(dòng)高速傳輸的需求，并進(jìn)一步帶動(dòng)高速網(wǎng)絡(luò )架構重整，預計未來(lái)CPO技術(shù)將不可或缺，2025年之后將大量進(jìn)入市場(chǎng)。

此外，在5G承載網(wǎng)市場(chǎng)中，5G前傳（電信側光模塊）是硅光技術(shù)的又一市場(chǎng)增長(cháng)點(diǎn)，英特爾已針對5G前傳發(fā)布具有擴展工作溫度范圍的100G收發(fā)器，支持在-40℃~85℃的工作溫度范圍內通過(guò)單模光纖實(shí)現10km鏈路。

雖然滲透率的節奏很難有明確判斷，但硅光趨勢的確定性毋庸置疑。英特爾作為硅光領(lǐng)域的帶頭企業(yè)，已然搶占硅光通信40%以上的市場(chǎng)份額；Cisco、Marvell、博通等通信光模塊頭部企業(yè)則基于并購模式布局硅光模塊業(yè)務(wù)；

國內企業(yè)中，華為（海思）、海信寬帶（Hisense）、旭創(chuàng )科技（Innolignt）、亨通光電、光迅科技（Accelink）等光模塊廠(chǎng)商陸續推出硅光通信模塊，旭創(chuàng )科技成立硅光業(yè)務(wù)事業(yè)部并且發(fā)展迅速，亨通光電則與英國洛克利公司（Rockley Photonics）合資成立“亨通洛克利”來(lái)布局硅光產(chǎn)品。

此外，諸如熹聯(lián)光芯、賽勒光電、羲禾科技、雨數光科等大批創(chuàng )業(yè)企業(yè)也紛紛涌入硅光賽道，但目前尚待高速率通信應用市場(chǎng)成熟，尤其是1.6T等更高速率光模塊市場(chǎng)高速發(fā)展。

光傳感領(lǐng)域——應用場(chǎng)景眾多且迭代迅速，硅光發(fā)展潛力巨大。

現階段來(lái)看，面向自動(dòng)駕駛的激光雷達硅光芯片以及面向消費者健康監測及診斷的硅光芯片將是重要增長(cháng)點(diǎn)。

隨著(zhù)摩爾定律的失效，光計算與硅光概念同時(shí)被關(guān)注。

短期內，片間光互連、片上光互連將是算力提升方向最先商業(yè)化成功的應用。

目前，英特爾數據中心已采用片間光互連提高計算效能，英偉達也將與Ayar Labs合作將光學(xué)I/O應用于A(yíng)I/HPC架構。Ayar Lab是光互連賽道的主要創(chuàng )業(yè)公司，持續融資已超過(guò)2億美元，B輪估值為11.375億美元，C輪估值估計已超過(guò)20億美元，投資方包括Intel、NVIDIA、Global Foundries等。

據報道，光計算創(chuàng )業(yè)企業(yè)曦智科技在今年8月舉行的2023全球閃存峰會(huì )(FMS)上，推出了首款適用PCIe和CXL協(xié)議的數據中心光互連硬件產(chǎn)品——Photowave，并現場(chǎng)演示了內存擴展光互連解決方案。

此外，光量子計算本質(zhì)也屬于光計算范疇，但光量子計算落地周期樂(lè )觀(guān)預計仍需5~10年左右，短期內無(wú)法拉動(dòng)硅光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

行業(yè)人士分析稱(chēng)，硅光產(chǎn)業(yè)是大勢所趨，應用場(chǎng)景側的市場(chǎng)空間潛力令人激動(dòng)，但回歸制造業(yè)本質(zhì)，硅光產(chǎn)業(yè)的基礎是硅光生態(tài)，若要推動(dòng)萬(wàn)億產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)的落地，不僅需要應用側的拉動(dòng)，更需要底層工藝生態(tài)的建設。

目前硅光產(chǎn)業(yè)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題，在于工藝平臺尚不成熟、硅基有源器件難以實(shí)現以及納米尺寸硅光技術(shù)路徑尚未收斂等等，尤其是工藝平臺的建設至關(guān)重要。