打破摩尔定律 硅光芯片离我们有多远

全球芯片制造巨头台积电正大举押注芯片制造领域的下一代最前沿技术 —— 硅光芯片。

据媒体消息，台积电携手博通、英伟达等大客户共同开发硅光子技术、共同封装光学元件等新产品，制程技术从45nm延伸到7nm，最快明年下半年开始迎来大单，2025年有望迈入放量产出阶段。

摩尔定律逼近极限

摩尔定律逼近极限已很大程度上导致传统电子芯片性能强化幅度放缓，而硅光芯片则提供了一种基于光技术的性能强化方案，使得芯片性能在纳米制程技术受限的情况下继续扩张。

同时随着AI时代到来，全球算力需求迎来爆炸式增长，具备极高性能的芯片需求日益增长，这也使得结合光学技术与硅基集成电路的硅光芯片在芯片制造领域的重要性愈发凸显。

作为下一代的半导体技术，其技术本身的起步已很早就开始：早在1985年，被誉为“硅基光电子之父”的理查德·索里夫，首次提出并验证了单晶硅作为通信波长的导波材料。这意味着在硅基平台上成功“捕获”了光子，实现了光子器件集成于硅片之上。

21世纪初开始，以英特尔和IBM为首的企业与学术机构就开始重点发展硅芯片光学信号传输技术，期望有朝一日能用光通路取代芯片之间的数据电路。

2010年，英特尔开发出首个50Gb/s超短距硅基集成光收发芯片后，硅光芯片开始进入产业化阶段。随后欧美一批传统集成电路和光电巨头通过并购迅速进入硅光子领域抢占高地。

业内人士将硅光技术的发展分为三个阶段：

· 第一阶段是利用硅制造光通信底层设备，实现工艺标准化。

· 第二阶段是集成技术从耦合集成演变为单片集成，实现部分集成，然后通过不同设备的组合集成不同的芯片。

· 第三阶段是光电集成技术集成，实现光电集成。

在之前，硅光子技术并没有受到过多的重视和讨论，除了在发展过程中面临的工艺难度和成本考量，核心还是芯片行业从未像今天这样急迫地追求更高效率的芯片互连和高算力、高带宽。

在制造工艺上，硅光芯片和电子芯片虽然在流程和复杂程度上相似，但硅光芯片对结构的要求不像电子芯片那样严苛，一般是百纳米级。这大大降低了对先进工艺的依赖，在一定程度上缓解了当前芯片发展的瓶颈问题。

什么是硅光芯片？

硅光芯片是一种利用硅基材料和工艺，将光电子器件集成在同一芯片上的新型集成电路。硅光芯片主要由调制器、探测器、无源波导器件等组成，它可以将多种光器件集成在同一硅基衬底上，实现光信号的产生、传输、控制和检测等功能。

· 光源：生产光信号的器具，通常采用激光器或LED。

· 光波导：将光信号导到需要的位置，通常采用硅基光波导。

· 调制器：用于调制光信号的强度、相位或频率，通常采用光电调制器。

· 探测器：将光信号转换为电信号的器具，通常采用光电二极管或光电探测器。

随着技术的快速发展和计算机处理速度的提高，芯片之间的通信已经成为影响计算性能的关键因素。事实上，在今天数以亿计的电子设备中，连接芯片到电路板，连接芯片到芯片的还是金属导线。硅光子通过提高光电传输的速度，解决当前计算机组件中布线的信号损失和热量问题。

在芯片技术的发展过程中，随着芯片制程的逐步缩小，在每个芯片上除了数百亿个晶体管，还需要十几层金属连线将这些晶体管连接起来，互连线引起的各种效应已经成为影响芯片性能的重要因素。芯片互连是目前的技术瓶颈之一，而硅光芯片则有可能解决这一问题。

互连线相当于微电子设备中的街道和高速公路，当芯片越来越小时，互联线需要越来越细，互联线间距缩小，电子元件之间的寄生效应也会越来越影响电路的性能。并且铜和其他常见的碳纳米管等这些材料的互联线会遇到物理极限，而光互连则不然。 

硅光子技术最大的优点是传输速率相当高，可以使处理器内核之间的数据传输速度快100倍甚至更高，功率效率也很高（意味着更低功耗），因此被认为是新一代半导体技术。硅光学技术的目标是将光电转换和传输模块集成到芯片中，并将芯片之间的光信号转换为可能。

硅光芯片是以硅光子学为基础的低成本、高速的光通信技术，利用基于硅材料的CMOS微电子工艺实现光子器件的集成制备，融合了CMOS技术的超大规模逻辑、超高精度制造的特性以及光子技术超高速率、超低功耗的优势，把原本分离器件众多的光、电元件缩小集成到一个独立微芯片中，实现高集成度、低成本、高速光传输。

硅光芯片面临哪些挑战？

首先，硅光芯片需要考虑相对较高的成本。受大量光学设备的限制，以及硅光器件需要使用各种材料，在之前缺乏大规模需求的情况下，硅光芯片已成为一种“高价、低性价比”产品。

其次，很难保证产品的性能和产量，硅光芯片在各个环节都缺乏标准化解决方案。需要考虑电子器件和光学器件之间的协同设计和优化，以及不同材料之间的界面匹配和耦合问题，目前还缺乏成熟的EDA工具和标准化方案来支持硅光芯片的设计。

在制造和封装过程中，类似台积电、三星等大型晶圆代工厂均未提供硅光工艺晶圆代工服务。硅光芯片需要采用多种材料和工艺来制作不同类型的器件，如SOI、LNO、InP等，这增加了制造过程的复杂度和成本，并影响了良品率和性能；硅光芯片实现电子信号和光信号之间的转换和传输，这还需要采用先进的封装技术来保证信号质量和稳定性。

目前主流的硅光芯片先进封装技术包括以下几种：垂直集成封装（Vertical Integration Packaging）、共封装光学（Co-Packaged Optics，CPO）、光纤封装（Fiber Attach Packaging）、波导板封装（Waveguide-Based Packaging）、玻璃基板封装（Glass Substrate Packaging）。

先进的芯片封装已经成为全球最大规模的几家芯片制造商 —— 英特尔、三星和台积电，都非常感兴趣的一个重要领域，因为2.5D/3D等先进芯片封装技术正在帮助他们制造出性能更加强大的芯片。

对于硅光芯片，半导体业界推出的解决方案是将硅光子光学元件及交换器特殊应用芯片（ASIC），透过CPO封装技术整合为单一模块，此方案已开始获得微软、Meta等大厂认证并采用在新一代网络构架，预计最快CPO市场2024年将出现爆发式增长。

硅光芯片有哪些应用？

硅光芯片在尺寸、速率、功耗等方面具有独特优势，可广泛应用于光通信（5G）、数据中心、人工智能、医疗检测、高阶计算、自动驾驶、国防等领域。

光通信：硅光芯片可以实现高速光收发模块，支持数据中心和5G基础设施的高速信息传输。例如，华为和光迅科技等企业已经推出了基于硅光芯片的800G光模块。

人工智能：硅光芯片可以实现高性能数据交换和计算，支持人工智能算法的快速运行。例如，英特尔和IBM等企业已经开发了基于硅光芯片的神经网络加速器。

激光雷达：硅光芯片可以实现高度集成的激光发射和接收器件，支持自动驾驶和机器人等场景的精准测距和定位。例如，MIT和OURS等团队已经推出了基于硅光芯片的激光雷达产品。

量子通信：硅光芯片可以实现复杂的光路控制和高集成度，支持量子纠缠态的制备和操控。例如，北大团队已经发表了基于硅光芯片的量子纠缠芯片的设计。　　

硅光领域的主要玩家

我们可能处在一个新时代的开端。从上世纪提出「硅光子」的概念，到2010年英特尔造出全球首个硅光芯片，硅光子技术似乎终于迎来了爆发的前夜。

国际半导体产业协会（SEMI）预测数据显示，到2030年，全球硅光子学半导体市场规模预计将达到78.6亿美元，预计复合年增长率将达到25.7%，从2022年的仅仅12.6亿美元规模大幅增加。

据行业人士判断，光电封装或将是发展最快的赛道，而共封装光学（CPO）是最值得关注的技术方向。根据市场调研机构CIR的数据，到2027年，共封装光学市场收入将达到54亿美元。

目前来看，硅光领域的主要玩家仍是半导体设计企业。英特尔、台积电和思科等科技巨头长期以来一直致力于开发自己的硅光子学解决方案和硅光子系统，占据了硅光芯片和模块出货量的大部分，成为业内领头羊。

英特尔研究硅光技术20多年，2016年将硅光子产品100GPSM4投入商用100GPSM4和100GCWDM4硅光模块已累计出货超400万只，200GFR4及400GDR4正在研发。

前不久英特尔收购的高塔半导体，在今年1月份 ，高塔半导体联合网络通讯设备公司瞻博网络（Juniper Networks）推出硅光子代工工艺，该平台可将III-V族激光器、半导体光放大器（SOA）、电吸收调制器（EAM）和光电探测器与硅光子器件共同集成在一颗单芯片上，构成尺寸更小、具有更多通道数且更节能的光学架构和解决方案。

台积电推出了用于硅光子芯片的先进封装技术 —— COUPE（compactuniversal photonic engine，紧凑型通用光子引擎）异构集成技术。

思科于2012年、2019年收购Lightwire、Luxtera（硅光市占率35%）及Acacia公司，布局硅光领域。

英伟达是全球目前市值最高的芯片公司，为数据中心服务器提供动力加速器以开发/运行大型语言模型的芯片方面拥有最大的市场，也在2021年以69亿美元现金收购了光纤互连技术提供商Mellanox Technologies，这是英伟达史上最大规模的一笔收购交易。

晶圆代工公司格芯（GlobalFoundries）于2022年3月份推出了硅光子平台Fotonix，作为一个单片平台，Fotonix实现了多项复杂工艺整合至单个芯片的功能，把光子系统、射频（RF）组件和高性能互补金属氧化物半导体（CMOS）逻辑集成到单个硅片上。平台合作伙伴包括4家顶级光子收发器供应商中的3家、5家顶级网络公司中的4家、4家领先的EDA和仿真公司中的3家，以及一些最有前途的基于光子学的初创公司。

阿里云与Elenion合作推出自研硅光模块2019年9月宣布推出基于硅光技术的400GDR4光模块。华为收购英国光子集成公司CIP和比利时硅光子公司Caliopa小型高容量硅光芯片。