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”的機會出現(xiàn)了？

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

據(jù)媒體報道，臺積電已組建了一支約200人的研發(fā)團隊，瞄準(zhǔn)明年即將到來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(dá)等大客戶進(jìn)行談判，共同開發(fā)以該技術(shù)為中心的應(yīng)用。

報道稱，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(yù)計最快將于2024年下半年開始迎來大單。

臺積電系統(tǒng)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(tǒng)……我們就可以解決AI的能源效率和計算能力的關(guān)鍵問題。這將是一個新的范式轉(zhuǎn)變。我們可能正處于一個新時代的開端?！?/p>

他說，一個更好、更集成的硅光子系統(tǒng)是運行大型語言模型（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(yīng)用程序所需的強大計算能力的驅(qū)動力。

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(dǎo)體信號傳輸數(shù)據(jù)，是基于硅和硅基襯底材料，利用現(xiàn)有CMOS工藝進(jìn)行光器件開發(fā)和集成的新一代技術(shù)。最大的優(yōu)勢在于擁有相當(dāng)高的傳輸速率，可使處理器內(nèi)核之間的數(shù)據(jù)傳輸速度快100倍甚至更高，功率效率也非常高，因此被認(rèn)為是新一代半導(dǎo)體技術(shù)。

在芯片技術(shù)的發(fā)展過程中，隨著芯片制程的逐步縮小，互連線引起的各種效應(yīng)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題。

互連線相當(dāng)于微型電子器件內(nèi)部的街道和高速公路，可將晶體管、電阻、電容等各個元件連接起來，并與外界進(jìn)行互動交流。當(dāng)芯片越做越小時，互聯(lián)線也需要越來越細(xì)，互連線間距縮小，電子元件之間引起的寄生效應(yīng)也會越來越影響電路的性能。常見的互連線材料諸如鋁、銅、碳納米管等，而這些材質(zhì)的互聯(lián)線無疑都會遇到物理極限。

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(tǒng)具有更快的處理速度、更大的數(shù)據(jù)存儲容量和更高的傳輸速率。這時僅僅利用電子作為信息載體的硅集成電路技術(shù)已經(jīng)難以滿足上述要求。

隨著云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能的快速發(fā)展，社會對于信息獲取與處理效率的需求持續(xù)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(dǎo)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，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(dǎo)的高損耗和工藝落后難以實現(xiàn)大規(guī)模集成，這一技術(shù)在當(dāng)時未能掀起波瀾。

之后將這一技術(shù)發(fā)揚光大的是英特爾。

21世紀(jì)初開始，以英特爾和IBM為首的企業(yè)與學(xué)術(shù)機構(gòu)就開始重點發(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(shù)據(jù)電路，以延續(xù)摩爾定律。

2010年，英特爾開發(fā)出首個50Gb/s超短距硅基集成光收發(fā)芯片后，硅光芯片開始進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。隨后歐美一批傳統(tǒng)集成電路和光電巨頭通過并購迅速進(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(fù)雜程度上相似，但光子芯片對結(jié)構(gòu)的要求不像電子芯片那樣嚴(yán)苛，一般是百納米級。這大大降低了對先進(jìn)工藝的依賴，在一定程度上緩解了當(dāng)前芯片發(fā)展的瓶頸問題。

業(yè)內(nèi)人士將硅光技術(shù)的發(fā)展分為三個階段：

第一階段是，用硅把光通信底層器件做出來，達(dá)到工藝的標(biāo)準(zhǔn)化。

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

第三階段是，光電一體技術(shù)融合，實現(xiàn)光電全集成化。

目前硅光技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了第二個階段。

預(yù)計最快2024年會出現(xiàn)爆發(fā)式增長

分析人士稱，如20世紀(jì)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，未來更是有望成為媲美集成電路龐大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，拉動萬億市場。

正因如此，諸如英特爾、IBM、Oracle、中興通訊等著名的半導(dǎo)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(biāo)志性事件，便是注重規(guī)模效應(yīng)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(jié)點以及封裝工藝，平臺合作伙伴包括4家頂級光子收發(fā)器供應(yīng)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，隨著臺積電、英特爾、英偉達(dá)、博通等國際半導(dǎo)體巨頭都陸續(xù)開展硅光子及共封裝光學(xué)（CPO）技術(shù)，預(yù)計最快2024年該市場會出現(xiàn)爆發(fā)式增長。

據(jù)行業(yè)人士判斷，光電封裝或?qū)⑹前l(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(jù)市場調(diào)研機構(gòu)CIR的數(shù)據(jù)，到2027年，共封裝光學(xué)市場收入將達(dá)到54億美元。

此外，據(jù)國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會（SEMI）估計，到2030年，全球硅光芯片市場規(guī)模預(yù)計將從2022年的12.6億美元增至78.6億美元，復(fù)合年增長率達(dá)到25.7%。

兵家必爭之地

硅光芯片已成為半導(dǎo)體行業(yè)的一個密集投資領(lǐng)域，眾多科技公司都在關(guān)注其在數(shù)據(jù)中心、超級計算機和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、無人駕駛汽車和國防雷達(dá)系統(tǒng)等各個領(lǐng)域的潛在用途。

不只是英特爾、思科和IBM，英偉達(dá)也在2021年以69億美元現(xiàn)金收購了光纖互連技術(shù)提供商Mellanox Technologies，這是英偉達(dá)史上最大規(guī)模的一筆收購交易。

華為多年來也在一直投資開發(fā)硅光技術(shù)，包括在英國劍橋建立了一個研發(fā)基地。

縱觀硅光子在全球的發(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。

中國真正開始大規(guī)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(dǎo)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(guī)模投入，使得國內(nèi)硅光產(chǎn)業(yè)與國外差距并沒有十年之久。

2017年中國的硅光產(chǎn)業(yè)迎來快速發(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(chǔ)研發(fā)到商業(yè)應(yīng)用的各個環(huán)節(jié)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(jù)了硅光芯片和模塊出貨量的大部分，成為業(yè)內(nèi)領(lǐng)頭羊。

國內(nèi)廠商主要有中際旭創(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)廠商進(jìn)入該領(lǐng)域較晚，市場份額相對較小，但是通過近年來在技術(shù)上的快速追趕，國產(chǎn)廠商與國外廠商在技術(shù)上的差距已經(jīng)在逐步縮小。

硅光的應(yīng)用場景

光通信領(lǐng)域是硅光芯片的主要應(yīng)用場景。

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

數(shù)據(jù)中心場景下，CSP和云提供商（諸如Facebook、Apple、騰訊等）正轉(zhuǎn)向大規(guī)模數(shù)據(jù)中心，Capex支出持續(xù)提升以支持客戶的高帶寬需求，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(xù)縮短。

在此背景下，傳統(tǒng)的可插拔光模塊在性價比及功耗方面已然“捉襟見肘”，而高集成高速硅光芯片由于在潛在降價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(shù)據(jù)傳輸目前仍采用可插拔光學(xué)元件，隨著傳輸速度快速發(fā)展并進(jìn)入800G時代，以及未來進(jìn)入1.6T至3.2T等更高傳輸速率，功率損耗、散熱管理將會是最大難題。半導(dǎo)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(yīng)用芯片（ASIC），通過CPO封裝技術(shù)整合為單一模組。此方案已開始獲得微軟、Meta等大廠采用，并應(yīng)用于新一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

不過，即便CPO技術(shù)有望很快量產(chǎn)，但初期生產(chǎn)成本仍偏高。隨著先進(jìn)制程推進(jìn)到3nm節(jié)點，AI運算將推動高速傳輸?shù)男枨?，并進(jìn)一步帶動高速網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)重整，預(yù)計未來CPO技術(shù)將不可或缺，2025年之后將大量進(jìn)入市場。

此外，在5G承載網(wǎng)市場中，5G前傳（電信側(cè)光模塊）是硅光技術(shù)的又一市場增長點，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(nèi)通過單模光纖實現(xiàn)10km鏈路。

雖然滲透率的節(jié)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(nèi)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）等光模塊廠商陸續(xù)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(shù)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(yīng)用市場成熟，尤其是1.6T等更高速率光模塊市場高速發(fā)展。

光傳感領(lǐng)域——應(yīng)用場景眾多且迭代迅速，硅光發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

現(xiàn)階段來看，面向自動駕駛的激光雷達(dá)硅光芯片以及面向消費者健康監(jiān)測及診斷的硅光芯片將是重要增長點。

隨著摩爾定律的失效，光計算與硅光概念同時被關(guān)注。

短期內(nèi)，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(yīng)用。

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

據(jù)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(FMS)上，推出了首款適用PCIe和CXL協(xié)議的數(shù)據(jù)中心光互連硬件產(chǎn)品——Photowave，并現(xiàn)場演示了內(nèi)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觀預(yù)計仍需5~10年左右，短期內(nèi)無法拉動硅光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

行業(yè)人士分析稱，硅光產(chǎn)業(yè)是大勢所趨，應(yīng)用場景側(cè)的市場空間潛力令人激動，但回歸制造業(yè)本質(zhì)，硅光產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)是硅光生態(tài)，若要推動萬億產(chǎn)業(yè)市場的落地，不僅需要應(yīng)用側(cè)的拉動，更需要底層工藝生態(tài)的建設(shè)。

目前硅光產(chǎn)業(yè)面臨的關(guān)鍵問題，在于工藝平臺尚不成熟、硅基有源器件難以實現(xiàn)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(shè)至關(guān)重要。