巨頭入場(chǎng)，硅光芯片迎來(lái)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，它將傳統的電子器件與光學(xué)器件結合，實(shí)現了光信號的產(chǎn)生、傳輸、調制和探測等功能。這一技術(shù)的核心價(jià)值在于其能夠突破傳統電子芯片在帶寬、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 Yole 報告，2023 年，硅基 PIC（芯片）市場(chǎng)規模為 9500 萬(wàn)美元，預計到 2029 年將增長(cháng)至 8.63 億美元以上，復合年增長(cháng)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(shí)美國貝爾實(shí)驗室首次提出「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)驗室階段。直到進(jìn)入 21 世紀，隨著(zhù) CMOS 工藝的成熟和數據中心需求的爆發(fā)，硅光芯片才逐漸從理論研究轉向產(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(lái)，AI 大模型訓練、高性能計算和 5G 通信等新興場(chǎng)景對數據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。根據業(yè)內人士的分析，硅光子技術(shù)正逐步從高端市場(chǎng)向消費級市場(chǎng)滲透，成為繼 CMOS 之后最具潛力的技術(shù)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（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(chǎng)（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(zhù)的增長(cháng)和多樣化做出了貢獻。

英特爾是最早研究硅光的巨頭廠(chǎng)商之一，其研究硅光子技術(shù)已經(jīng)超過(guò)30 年。英特爾稱(chēng)，從 2016 年推出硅光子平臺后，已出貨超過(guò) 800 萬(wàn)個(gè)光子集成電路（PIC）和超過(guò) 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、調制器、探測器等光學(xué)器件與電路集成在同一塊硅基片上，實(shí)現電子與光學(xué)結合。它支持波分復用（WDM）技術(shù)，能讓單條光纖同時(shí)傳輸多種波長(cháng)的光信號，還有高效的光電轉換技術(shù)，使硅光模塊在數據中心等場(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)大規模商用，它正在跟云計算巨頭、網(wǎng)絡(luò )設備商合作，推動(dòng)硅光技術(shù)標準化和普及。

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，演示的是兩顆 CPU 靠光纖通信。

在這個(gè)過(guò)程中，OCI chiplet 負責把 CPU 的電信號轉成光信號。英特爾在博客文章里提到，基于英特爾硅光子技術(shù)完全集成的 OCI chiplet，雙向傳輸速率能達到 4Tbps，在數十米距離內，單向支持 64 個(gè) 32Gbps 數據通道，上層協(xié)議跟 PCIe Gen 5 兼容。

雖說(shuō)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(lái)發(fā)展的可能性的。而且不單是 Intel，近一年開(kāi)始探討光通信技術(shù)的企業(yè)至少還包括了英偉達、Synopsys 等上下游市場(chǎng)參與者。

在去年的 GTC 大會(huì )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(jìn)行生產(chǎn)，以加速制造并突破下一代先進(jìn)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(lái)支持最新一代英偉達 Blackwell 架構 GPU。

黃仁勛表示：「計算光刻技術(shù)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(shù)，旨在應用加速計算和生成式人工智能，為半導體微縮開(kāi)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(zhù)改善了半導體制造工藝。

而在今年的GTC 大會(huì )上，英偉達又推出 Spectrum-X Photonics，推出一體式封裝光學(xué)網(wǎng)絡(luò )交換機，將 AI 工廠(chǎng)擴展至數百萬(wàn) GPU。與傳統方法相比，它們集成了光學(xué)創(chuàng )新技術(shù)，激光器數量減少了 4 倍，從而實(shí)現了 3.5 倍的能效提升、63 倍的信號完整性提升、10 倍的大規模網(wǎng)絡(luò )彈性以及 1.3 倍的部署速度。

黃仁勛表示：「AI 工廠(chǎng)是一種具有超大規模的新型數據中心，網(wǎng)絡(luò )基礎設施必須進(jìn)行徹底改造才能跟上步伐。通過(guò)將硅光子技術(shù)直接集成到交換機中，英偉達 正在打破超大規模和企業(yè)網(wǎng)絡(luò )的舊有限制，并開(kāi)啟通往百萬(wàn) GPU AI 工廠(chǎng)的大門(mén)?！?/span>

在數據通信市場(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)競爭中，中國廠(chǎng)商份額較少，但國內的中際旭創(chuàng )、新易盛、光迅科技、博創(chuàng )科技、銘普光磁、亨通光電等開(kāi)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(chǎng)導入期。

去年9 月，九峰山實(shí)驗室成功點(diǎn)亮集成到硅基芯片內部的激光光源，實(shí)現了國內首次「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 晶圓內部完成了磷化銦激光器的工藝集成，利用光信號替代傳統電信號進(jìn)行高速傳輸。這一突破不僅標志著(zhù)中國在硅光芯片領(lǐng)域的自主研發(fā)能力邁上新臺階，也為未來(lái)大規模商用奠定了基礎。

背后驅動(dòng)力

硅光芯片的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，正在重塑全球半導體產(chǎn)業(yè)鏈的權力結構。其之所以能夠在短時(shí)間內實(shí)現從實(shí)驗室到產(chǎn)業(yè)化的跨越，離不開(kāi)其背后的核心驅動(dòng)力。

硅光芯片的最大優(yōu)勢在于其與現有CMOS 工藝的高度兼容性。其核心競爭力在于其與現有半導體制造工藝的高度兼容性。傳統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(guò)與 CMOS 工藝結合，能夠直接利用現有的晶圓生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行大規模制造。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(wú)縫融入現有的半導體供應鏈。

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(jìn)一步提升了芯片的性能。

隨著(zhù)人工智能、大數據和高性能計算需求的快速增長(cháng)，傳統電子芯片在帶寬、功耗和延遲方面的瓶頸逐漸顯現。尤其是在 AI 大模型訓練和推理場(chǎng)景中，海量數據的處理需求對芯片的算力和能效提出了前所未有的挑戰。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。

數據中心是硅光芯片最重要的應用場(chǎng)景之一。據統計，全球數據中心每年產(chǎn)生的數據流量已達到澤字節（Zettabyte）級別，傳統的銅纜連接方式在長(cháng)距離傳輸中面臨嚴重的信號衰減問(wèn)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模普及。硅光芯片通過(guò)將光電轉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，又大幅降低了系統復雜性和部署成本。以 800G 光模塊為例，采用硅光技術(shù)的產(chǎn)品相比傳統方案可節省約 30% 的功耗，同時(shí)體積縮小 40% 以上。這些優(yōu)勢使其成為云計算廠(chǎng)商和電信運營(yíng)商的首選方案。

全面開(kāi)花

盡管硅光芯片最初主要應用于數據中心和長(cháng)距離通信等高端市場(chǎng)，但隨著(zhù)技術(shù)的成熟和成本的下降，其應用場(chǎng)景正在迅速擴展至多個(gè)新興領(lǐng)域。硅光子技術(shù)正逐步成為智能駕駛、光計算及消費電子領(lǐng)域突破性創(chuàng )新的核心驅動(dòng)力。

在智能駕駛領(lǐng)域，硅光固態(tài)激光雷達技術(shù)路線(xiàn)被視為實(shí)現大規模商用的關(guān)鍵路徑。當前激光雷達多依賴(lài)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(guò) CMOS 工藝兼容的高密度集成，顯著(zhù)降低了系統復雜度與制造成本。具體而言，硅基相控陣與光開(kāi)關(guān)陣列兩種固態(tài)激光雷達方案，憑借其小型化、抗振動(dòng)特性，正推動(dòng)激光雷達從機械式向全固態(tài)演進(jìn)。

Mobileye 推出的硅光子激光雷達 SoC（系統級芯片）采用調頻連續波（FMCW）技術(shù)，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，體積縮小至傳統機械式雷達的 1/10，同時(shí)成本降低至數百美元級別，滿(mǎn)足車(chē)規級可靠性要求。

不僅如此，硅光子技術(shù)在光計算領(lǐng)域的潛力同樣備受關(guān)注。隨著(zhù)算力需求激增與傳統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·諾依曼架構限制的前沿方向。硅光平臺依托成熟的半導體工藝，能夠實(shí)現光波導、調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。硅基波導可穩定生成與操控光子糾纏態(tài)，而可編程光開(kāi)關(guān)陣列支持量子態(tài)的高效路由。文獻顯示，硅光芯片已實(shí)現 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(jìn)展被視作光量子計算走向實(shí)用化的重要里程碑。

在消費電子領(lǐng)域，硅光子技術(shù)的高集成特性完美契合了設備小型化趨勢?？纱┐髟O備、生物醫療傳感器等場(chǎng)景對空間利用率要求嚴苛，而硅光芯片可在微米尺度內整合光源、探測器與信號處理單元，顯著(zhù)提升功能密度。其在微型化光譜分析、健康監測等場(chǎng)景的應用正逐步從實(shí)驗室走向商業(yè)化。Meta 與硅光芯片廠(chǎng)商合作開(kāi)發(fā)的光學(xué)模組，通過(guò)集成硅光調制器和波導，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，標志著(zhù)硅光子從單一芯片制造向系統級解決方案的跨越式發(fā)展。

結語(yǔ)

這場(chǎng)以光子替代電子的技術(shù)革命，不僅是對傳統半導體產(chǎn)業(yè)的一次顛覆性創(chuàng )新，更開(kāi)啟了通向"光電融合時(shí)代"的大門(mén)。面向未來(lái)，硅光芯片的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程仍面臨多重挑戰。如何在提升集成度的同時(shí)控制熱效應？怎樣實(shí)現 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(wèn)題的答案將決定技術(shù)演進(jìn)的深度與廣度。