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。

據媒體消息，臺積電攜手博通、英偉達等大客戶(hù)共同開(kāi)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(kāi)始迎來(lái)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致傳統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)受限的情況下繼續擴張。

同時(shí)隨著(zhù)AI時(shí)代到來(lái)，全球算力需求迎來(lái)爆炸式增長(cháng)，具備極高性能的芯片需求日益增長(cháng)，這也使得結合光學(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。

作為下一代的半導體技術(shù)，其技術(shù)本身的起步已很早就開(kāi)始：早在1985年，被譽(yù)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(cháng)的導波材料。這意味著(zhù)在硅基平臺上成功“捕獲”了光子，實(shí)現了光子器件集成于硅片之上。

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。

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。

業(yè)內人士將硅光技術(shù)的發(fā)展分為三個(gè)階段：

· 第一階段是利用硅制造光通信底層設備，實(shí)現工藝標準化。

· 第二階段是集成技術(shù)從耦合集成演變?yōu)閱纹?，?shí)現部分集成，然后通過(guò)不同設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(shí)現光電集成。

在之前，硅光子技術(shù)并沒(méi)有受到過(guò)多的重視和討論，除了在發(fā)展過(guò)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雜程度上相似，但硅光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。

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。硅光芯片主要由調制器、探測器、無(wú)源波導器件等組成，它可以將多種光器件集成在同一硅基襯底上，實(shí)現光信號的產(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：將光信號導到需要的位置，通常采用硅基光波導。

· 調制器：用于調制光信號的強度、相位或頻率，通常采用光電調制器。

· 探測器：將光信號轉換為電信號的器具，通常采用光電二極管或光電探測器。

隨著(zhù)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(shí)上，在今天數以?xún)|計的電子設備中，連接芯片到電路板，連接芯片到芯片的還是金屬導線(xiàn)。硅光子通過(guò)提高光電傳輸的速度，解決當前計算機組件中布線(xiàn)的信號損失和熱量問(wèn)題。

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，在每個(gè)芯片上除了數百億個(gè)晶體管，還需要十幾層金屬連線(xiàn)將這些晶體管連接起來(lái)，互連線(xiàn)引起的各種效應已經(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(wèn)題。

互連線(xiàn)相當于微電子設備中的街道和高速公路，當芯片越來(lái)越小時(shí)，互聯(lián)線(xiàn)需要越來(lái)越細，互聯(lián)線(xiàn)間距縮小，電子元件之間的寄生效應也會(huì )越來(lái)越影響電路的性能。并且銅和其他常見(jiàn)的碳納米管等這些材料的互聯(lián)線(xiàn)會(huì )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(diǎn)是傳輸速率相當高，可以使處理器內核之間的數據傳輸速度快100倍甚至更高，功率效率也很高（意味著(zhù)更低功耗），因此被認為是新一代半導體技術(shù)。硅光學(xué)技術(shù)的目標是將光電轉換和傳輸模塊集成到芯片中，并將芯片之間的光信號轉換為可能。

硅光芯片是以硅光子學(xué)為基礎的低成本、高速的光通信技術(shù)，利用基于硅材料的CMOS微電子工藝實(shí)現光子器件的集成制備，融合了CMOS技術(shù)的超大規模邏輯、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(gè)獨立微芯片中，實(shí)現高集成度、低成本、高速光傳輸。

硅光芯片面臨哪些挑戰？

首先，硅光芯片需要考慮相對較高的成本。受大量光學(xué)設備的限制，以及硅光器件需要使用各種材料，在之前缺乏大規模需求的情況下，硅光芯片已成為一種“高價(jià)、低性?xún)r(jià)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(gè)環(huán)節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)同設計和優(yōu)化，以及不同材料之間的界面匹配和耦合問(wèn)題，目前還缺乏成熟的EDA工具和標準化方案來(lái)支持硅光芯片的設計。

在制造和封裝過(guò)程中，類(lèi)似臺積電、三星等大型晶圓代工廠(chǎng)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(lái)制作不同類(lèi)型的器件，如SOI、LNO、InP等，這增加了制造過(guò)程的復雜度和成本，并影響了良品率和性能；硅光芯片實(shí)現電子信號和光信號之間的轉換和傳輸，這還需要采用先進(jìn)的封裝技術(shù)來(lái)保證信號質(zhì)量和穩定性。

目前主流的硅光芯片先進(jìn)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）、波導板封裝（Waveguide-Based Packaging）、玻璃基板封裝（Glass Substrate Packaging）。

先進(jìn)的芯片封裝已經(jīng)成為全球最大規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(gè)重要領(lǐng)域，因為2.5D/3D等先進(jìn)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用芯片（ASIC），透過(guò)CPO封裝技術(shù)整合為單一模塊，此方案已開(kāi)始獲得微軟、Meta等大廠(chǎng)認證并采用在新一代網(wǎng)絡(luò )構架，預計最快CPO市場(chǎng)2024年將出現爆發(fā)式增長(cháng)。

硅光芯片有哪些應用？

硅光芯片在尺寸、速率、功耗等方面具有獨特優(yōu)勢，可廣泛應用于光通信（5G）、數據中心、人工智能、醫療檢測、高階計算、自動(dòng)駕駛、國防等領(lǐng)域。

光通信：硅光芯片可以實(shí)現高速光收發(fā)模塊，支持數據中心和5G基礎設施的高速信息傳輸。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(shí)現高性能數據交換和計算，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(kāi)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(shí)現高度集成的激光發(fā)射和接收器件，支持自動(dòng)駕駛和機器人等場(chǎng)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(shí)現復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計?！　?/p>

硅光領(lǐng)域的主要玩家

我們可能處在一個(gè)新時(shí)代的開(kāi)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(gè)硅光芯片，硅光子技術(shù)似乎終于迎來(lái)了爆發(fā)的前夜。

國際半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì )（SEMI）預測數據顯示，到2030年，全球硅光子學(xué)半導體市場(chǎng)規模預計將達到78.6億美元，預計復合年增長(cháng)率將達到25.7%，從2022年的僅僅12.6億美元規模大幅增加。

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。

目前來(lái)看，硅光領(lǐng)域的主要玩家仍是半導體設計企業(yè)。英特爾、臺積電和思科等科技巨頭長(cháng)期以來(lái)一直致力于開(kāi)發(fā)自己的硅光子學(xué)解決方案和硅光子系統，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。

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(wàn)只，200GFR4及400GDR4正在研發(fā)。

前不久英特爾收購的高塔半導體，在今年1月份 ，高塔半導體聯(lián)合網(wǎng)絡(luò )通訊設備公司瞻博網(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、半導體光放大器（SOA）、電吸收調制器（EAM）和光電探測器與硅光子器件共同集成在一顆單芯片上，構成尺寸更小、具有更多通道數且更節能的光學(xué)架構和解決方案。

臺積電推出了用于硅光子芯片的先進(jìn)封裝技術(shù) —— COUPE（compactuniversal photonic engine，緊湊型通用光子引擎）異構集成技術(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，為數據中心服務(wù)器提供動(dòng)力加速器以開(kāi)發(fā)/運行大型語(yǔ)言模型的芯片方面擁有最大的市場(chǎng)，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。

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(gè)單片平臺，Fotonix實(shí)現了多項復雜工藝整合至單個(gè)芯片的功能，把光子系統、射頻（RF）組件和高性能互補金屬氧化物半導體（CMOS）邏輯集成到單個(gè)硅片上。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。

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(shí)硅光子公司Caliopa小型高容量硅光芯片。