Next-generation AI computing power "revolutionary technology", TSMC bets on "silicon photonics chips", is there an opportunity for the chip industry to "overtake on a curve"?

全球最大芯片制造商台积电正在大举押注新兴半导体领域——硅光芯片。

据媒体报道，台积电已组建了一支约 200 人的研发团队，瞄准明年即将到来的硅光子超高速芯片商机；该公司不仅正在积极推进硅光子技术，还在与博通和英伟达等大客户进行谈判，共同开发以该技术为中心的应用。

报道称，此次合作旨在生产下一代硅光子芯片，相关制程技术涵盖 45nm 至 7nm，预计最快将于 2024 年下半年开始迎来大单。

台积电系统集成探路副总裁余振华此前表示：

“如果我们能够提供良好的硅光子整合系统……我们就可以解决 AI 的能源效率和计算能力的关键问题。这将是一个新的范式转变。我们可能正处于一个新时代的开端。”

他说，一个更好、更集成的硅光子系统是运行大型语言模型（支撑 ChatGPT 和 Bard 等聊天机器人的技术）和其他人工智能计算应用程序所需的强大计算能力的驱动力。

什么是硅光技术？

硅光子技术是一种光通信技术，使用激光束代替电子半导体信号传输数据，是基于硅和硅基衬底材料，利用现有 CMOS 工艺进行光器件开发和集成的新一代技术。最大的优势在于拥有相当高的传输速率，可使处理器内核之间的数据传输速度快 100 倍甚至更高，功率效率也非常高，因此被认为是新一代半导体技术。

在芯片技术的发展过程中，随着芯片制程的逐步缩小，互连线引起的各种效应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，而硅光子技术则有可能解决这一问题。

互连线相当于微型电子器件内部的街道和高速公路，可将晶体管、电阻、电容等各个元件连接起来，并与外界进行互动交流。当芯片越做越小时，互联线也需要越来越细，互连线间距缩小，电子元件之间引起的寄生效应也会越来越影响电路的性能。常见的互连线材料诸如铝、铜、碳纳米管等，而这些材质的互联线无疑都会遇到物理极限。

光互连则不然。

并且，基于计算机与通信网络化的信息技术也希望其功能器件和系统具有更快的处理速度、更大的数据存储容量和更高的传输速率。这时仅仅利用电子作为信息载体的硅集成电路技术已经难以满足上述要求。

随着云计算、大数据、人工智能的快速发展，社会对于信息获取与处理效率的需求持续攀升，但摩尔定律失效在即，硅光技术正凭借其在高传输速率、高能效比、超低延迟等方面的突出优势，成为半导体领域竞争的另一条赛道。

并不是一项刚刚诞生的新技术

其实，硅光子技术并不是一项刚刚诞生的新技术。

早在 1969 年，美国的贝尔实验室的 S.E.Miller 首次提出了集成光学的概念，但是由于 InP 波导的高损耗和工艺落后难以实现大规模集成，这一技术在当时未能掀起波澜。

之后将这一技术发扬光大的是英特尔。

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，以延续摩尔定律。

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。目前英特尔也是在硅光领域布局最全面的公司。

在制造工艺上，光子芯片和电子芯片虽然在流程和复杂程度上相似，但光子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。

业内人士将硅光技术的发展分为三个阶段：

第一阶段是，用硅把光通信底层器件做出来，达到工艺的标准化。

第二阶段是，集成技术从耦合集成向单片集成演进，实现部分集成，再把这些器件通过不同器件的组合，集成不同的芯片。

第三阶段是，光电一体技术融合，实现光电全集成化。

目前硅光技术已经发展到了第二个阶段。

预计最快 2024 年会出现爆发式增长

分析人士称，如 20 世纪 70 年代的微电子技术一般，硅光产业正处于前期扩张阶段，未来更是有望成为媲美集成电路庞大规模的产业，拉动万亿市场。

正因如此，诸如英特尔、IBM、Oracle、中兴通讯等著名的半导体企业和信息技术企业，正投入大量的人力和财力推进硅光的产业化。

这其中的标志性事件，便是注重规模效应的晶圆代工公司格芯（GlobalFoundries）于 2022 年 3 月份推出了硅光子平台 Fotonix，以此布局 90WG 和 45CLO 工艺节点以及封装工艺，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。

报道称，随着台积电、英特尔、英伟达、博通等国际半导体巨头都陆续开展硅光子及共封装光学（CPO）技术，预计最快 2024 年该市场会出现爆发式增长。

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。

此外，据国际半导体产业协会（SEMI）估计，到 2030 年，全球硅光芯片市场规模预计将从 2022 年的 12.6 亿美元增至 78.6 亿美元，复合年增长率达到 25.7%。

兵家必争之地

硅光芯片已成为半导体行业的一个密集投资领域，众多科技公司都在关注其在数据中心、超级计算机和网络设备、无人驾驶汽车和国防雷达系统等各个领域的潜在用途。

不只是英特尔、思科和 IBM，英伟达也在 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。

华为多年来也在一直投资开发硅光技术，包括在英国剑桥建立了一个研发基地。

纵观硅光子在全球的发展情况，美国是硅光子最先兴起的，也是目前发展最超前的国家。

中国真正开始大规模研究硅光子是在 2010 年左右，之前多为学术上的研究，起步晚导致中国在硅光子的产品化进程上不如美国。但中国对于硅光子技术研发方面人才和资金的大规模投入，使得国内硅光产业与国外差距并没有十年之久。

2017 年中国的硅光产业迎来快速发展。

从产业链进展看，全球硅光产业链已经逐渐成熟，从基础研发到商业应用的各个环节均有代表性的企业。

其中以英特尔、思科、Inphi 为代表的美国企业占据了硅光芯片和模块出货量的大部分，成为业内领头羊。

国内厂商主要有中际旭创、熹联光芯、华工科技、新易盛、光迅科技、博创科技、华为、亨通光电等。

虽然国产厂商进入该领域较晚，市场份额相对较小，但是通过近年来在技术上的快速追赶，国产厂商与国外厂商在技术上的差距已经在逐步缩小。

硅光的应用场景

光通信领域是硅光芯片的主要应用场景。

目前，产业内已基本建立了面向数据中心、光纤传输、5G 承载网、光接入等市场的系列硅光通信产品解决方案，其中数据中心光通信是硅光的最大市场，微软的内部数据中心互连有超过 40% 是基于硅光芯片实现。

数据中心场景下，CSP 和云提供商（诸如 Facebook、Apple、腾讯等）正转向大规模数据中心，Capex 支出持续提升以支持客户的高带宽需求，通信速率正由 100、200G 向 400G、800G、1.6T、3.2T 迭代，而且迭代周期持续缩短。

在此背景下，传统的可插拔光模块在性价比及功耗方面已然 “捉襟见肘”，而高集成高速硅光芯片由于在潜在降价空间与功耗方面有明显优势，则成为更优越的选项。

业界分析，高速数据传输目前仍采用可插拔光学元件，随着传输速度快速发展并进入 800G 时代，以及未来进入 1.6T 至 3.2T 等更高传输速率，功率损耗、散热管理将会是最大难题。半导体业界提出的方案是，将硅光子光学元件及交换器特殊应用芯片（ASIC），通过 CPO 封装技术整合为单一模组。此方案已开始获得微软、Meta 等大厂采用，并应用于新一代网络架构。

不过，即便 CPO 技术有望很快量产，但初期生产成本仍偏高。随着先进制程推进到 3nm 节点，AI 运算将推动高速传输的需求，并进一步带动高速网络架构重整，预计未来 CPO 技术将不可或缺，2025 年之后将大量进入市场。

此外，在 5G 承载网市场中，5G 前传（电信侧光模块）是硅光技术的又一市场增长点，英特尔已针对 5G 前传发布具有扩展工作温度范围的 100G 收发器，支持在-40℃~85℃的工作温度范围内通过单模光纤实现 10km 链路。

虽然渗透率的节奏很难有明确判断，但硅光趋势的确定性毋庸置疑。英特尔作为硅光领域的带头企业，已然抢占硅光通信 40% 以上的市场份额；Cisco、Marvell、博通等通信光模块头部企业则基于并购模式布局硅光模块业务；

国内企业中，华为（海思）、海信宽带（Hisense）、旭创科技（Innolignt）、亨通光电、光迅科技（Accelink）等光模块厂商陆续推出硅光通信模块，旭创科技成立硅光业务事业部并且发展迅速，亨通光电则与英国洛克利公司（Rockley Photonics）合资成立 “亨通洛克利” 来布局硅光产品。

此外，诸如熹联光芯、赛勒光电、羲禾科技、雨数光科等大批创业企业也纷纷涌入硅光赛道，但目前尚待高速率通信应用市场成熟，尤其是 1.6T 等更高速率光模块市场高速发展。

光传感领域——应用场景众多且迭代迅速，硅光发展潜力巨大。

现阶段来看，面向自动驾驶的激光雷达硅光芯片以及面向消费者健康监测及诊断的硅光芯片将是重要增长点。

随着摩尔定律的失效，光计算与硅光概念同时被关注。

短期内，片间光互连、片上光互连将是算力提升方向最先商业化成功的应用。

目前，英特尔数据中心已采用片间光互连提高计算效能，英伟达也将与 Ayar Labs 合作将光学 I/O 应用于 AI/HPC 架构。Ayar Lab 是光互连赛道的主要创业公司，持续融资已超过 2 亿美元，B 轮估值为 11.375 亿美元，C 轮估值估计已超过 20 亿美元，投资方包括 Intel、NVIDIA、Global Foundries 等。

据报道，光计算创业企业曦智科技在今年 8 月举行的 2023 全球闪存峰会 (FMS) 上，推出了首款适用 PCIe 和 CXL 协议的数据中心光互连硬件产品——Photowave，并现场演示了内存扩展光互连解决方案。

此外，光量子计算本质也属于光计算范畴，但光量子计算落地周期乐观预计仍需 5~10 年左右，短期内无法拉动硅光产业的发展。

行业人士分析称，硅光产业是大势所趋，应用场景侧的市场空间潜力令人激动，但回归制造业本质，硅光产业的基础是硅光生态，若要推动万亿产业市场的落地，不仅需要应用侧的拉动，更需要底层工艺生态的建设。

目前硅光产业面临的关键问题，在于工艺平台尚不成熟、硅基有源器件难以实现以及纳米尺寸硅光技术路径尚未收敛等等，尤其是工艺平台的建设至关重要。