寫在硅光技術(shù)爆發(fā)前夜

隨著摩爾定律逐漸變緩，硅光技術(shù)是延續(xù)摩爾定律的發(fā)展方向之一。

當(dāng)格芯推出硅光代工平臺(tái)，誓要成為領(lǐng)先硅光子代工廠；長(zhǎng)電科技預(yù)測(cè)硅光封裝成為未來趨勢(shì)之時(shí)，這項(xiàng)早在上世紀(jì)提出的技術(shù)，正悄悄改變著半導(dǎo)體行業(yè)。

云時(shí)代帶來的海量數(shù)據(jù)、逼近極限需要解決的節(jié)點(diǎn)間隙，這些可以通過光子解決的問題，正一步一步推動(dòng)著硅光子前行。

硅光技術(shù)正在爆發(fā)前夜。

硅光子已成為未來趨勢(shì)

早在上個(gè)世紀(jì)90年代，IT從業(yè)者就開始為傳統(tǒng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)尋找繼任者，光子技術(shù)一度被認(rèn)為是最有希望的技術(shù)。

硅光是以硅光子學(xué)為基礎(chǔ)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(xiàn)光子器件的集成制備，融合了CMOS技術(shù)的超大規(guī)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(shì)，把原本分離器件眾多的光、電元件縮小集成到一個(gè)獨(dú)立微芯片中，實(shí)現(xiàn)高集成度、低成本、高速光傳輸。

硅光技術(shù)的發(fā)展可以分為三個(gè)階段。第一，硅基器件逐步取代分立元器件，即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，集成技術(shù)從耦合集成向單片集成演進(jìn)，實(shí)現(xiàn)部分集成，再把這些器件像樂高積木一樣，通過不同器件的組合，集成不同的芯片；第三，光電一體技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)光電全集成化。把光和電都集成起來，實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的功能。

目前硅光技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了第二個(gè)階段。

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(duì)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(jí)。這大大降低了對(duì)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。

阿里巴巴達(dá)摩院發(fā)布的2022十大科技趨勢(shì)中，硅光芯片是其預(yù)測(cè)的趨勢(shì)之一。隨著云計(jì)算與人工智能的大爆發(fā)，硅光芯片迎來技術(shù)快速迭代與產(chǎn)業(yè)鏈高速發(fā)展。達(dá)摩院預(yù)計(jì)未來三年，硅光芯片將承載絕大部分大型數(shù)據(jù)中心內(nèi)的高速信息傳輸。

光網(wǎng)絡(luò)模塊市場(chǎng)預(yù)計(jì)2021年至2026年間的復(fù)合增長(zhǎng)率為26%，到2026年可能達(dá)到40億美元。目前，硅光子技術(shù)主要用于通信領(lǐng)域，后續(xù)將逐步擴(kuò)展到人工智能 (AI)、激光雷達(dá)和其他傳感器等新興應(yīng)用中。

硅光代工，臺(tái)積電棋差一著？

關(guān)于硅光芯片制造技術(shù)，北京郵電大學(xué)教授李培剛表示：“硅光芯片制造技術(shù)與現(xiàn)有的半導(dǎo)體晶圓制造技術(shù)是相輔相成的。”

按照代工的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，由于激光器在各核心器件中失效率較高，導(dǎo)致“光電合封”芯片的良率普遍不高。硅光器件的良品率則有較大提升。

前不久，格芯推出新一代硅光子平臺(tái)Fotonix。作為一個(gè)單片平臺(tái)，F(xiàn)otonix實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)復(fù)雜工藝整合至單個(gè)芯片的功能，把光子系統(tǒng)、射頻(RF)組件和高性能互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)邏輯集成到單個(gè)硅片上。格芯將300毫米光子學(xué)特性和300Ghz(吉赫)級(jí)別的RF-CMOS工藝集成到硅片上的平臺(tái)，可以提供一流的、大規(guī)模的性能。

格芯宣布與光量子計(jì)算、人工智能、半導(dǎo)體等多領(lǐng)域內(nèi)的公司合作，以此解決數(shù)據(jù)激增問題，為數(shù)據(jù)中心提供創(chuàng)新解決方案。在Fotonix平臺(tái)上與格芯合作的公司包括博通、Marvell、思科、英偉達(dá)、Macom、AyarLabs、Lightmatter、PsiQuantum、Ranovus、Xanadu、Ansys、楷登電子和Synopsys。

這些合作伙伴包括4家頂級(jí)光子收發(fā)器供應(yīng)商中的3家、5家頂級(jí)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。

英特爾是唯一一家沒有參與的涉及光子學(xué)的主要公司。因?yàn)橛⑻貭栒谑褂米约旱膬?nèi)部平臺(tái)。這與前不久英特爾收購的高塔半導(dǎo)體不無關(guān)系。

對(duì)高塔半導(dǎo)體的收購填補(bǔ)了英特爾在領(lǐng)先 FinFET 之外的工藝節(jié)點(diǎn)的代工產(chǎn)品中急需的空白。并且，在今年1月份 ，高塔半導(dǎo)體聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備公司瞻博網(wǎng)絡(luò)(Juniper Networks)推出硅光子代工工藝，該工藝集成了III-V族激光器、放大器調(diào)制器和探測(cè)器。硅光子技術(shù)主要是利用現(xiàn)有CMOS 集成電路類似的技術(shù)來設(shè)計(jì)和制造光器件和光電集成電路。

該平臺(tái)可將III-V族激光器、半導(dǎo)體光放大器(SOA)、電吸收調(diào)制器(EAM)和光電探測(cè)器與硅光子器件共同集成在一顆單芯片上，構(gòu)成尺寸更小、具有更多通道數(shù)且更節(jié)能的光學(xué)架構(gòu)和解決方案。

瞻博網(wǎng)絡(luò)首席執(zhí)行官Rami Rahim表示:“我們與高塔半導(dǎo)體的共同開發(fā)工作非常成功，在大批量生產(chǎn)設(shè)施中驗(yàn)證了這種創(chuàng)新硅光電子技術(shù)。通過向整個(gè)行業(yè)提供這種能力，瞻博提供了從根本上降低光學(xué)成本的潛力，同時(shí)降低了客戶的進(jìn)入壁壘。”

盡管臺(tái)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(gòu)集成技術(shù)，但相比起將自己定位為全球領(lǐng)先的硅光子代工廠的格芯和擁有自己硅光代工平臺(tái)的英特爾，臺(tái)積電的布局仍稍顯落后。

中國(guó)硅光子芯片的研究

工信部發(fā)布的《中國(guó)光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖（2018—2022年）》指出，目前高速率光芯片國(guó)產(chǎn)化率僅3%左右，要求2022年中低端光電子芯片的國(guó)產(chǎn)化率超過60%，高端光電子芯片國(guó)產(chǎn)化率突破20%。

國(guó)家層面，支持硅光技術(shù)的利好政策紛至沓來，各地政府也紛紛入局。上海市明確提出發(fā)展光子芯片與器件，重點(diǎn)突破硅光子、光通訊器件、光子芯片等新一代光子器件的研發(fā)與應(yīng)用，對(duì)光子器件模塊化技術(shù)、基于CMOS的硅光子工藝、芯片集成化技術(shù)、光電集成模塊封裝技術(shù)等方面的研究開展重點(diǎn)攻關(guān)。湖北省、重慶市、蘇州市等政府都把硅光芯片作為“十四五”期間的重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)。

此后，武漢建立國(guó)家信息光電子創(chuàng)新中心、上海將硅光列入首批市級(jí)重大專項(xiàng)、重慶打造國(guó)家級(jí)國(guó)際化新型研發(fā)機(jī)構(gòu)聯(lián)合微電子中心有限責(zé)任公司。

在政策的扶持下，國(guó)內(nèi)也研制出硅光芯片。2021年12月，國(guó)家信息光電子創(chuàng)新中心、鵬城實(shí)驗(yàn)室在國(guó)內(nèi)率先完成了1.6Tb/s硅基光收發(fā)芯片的聯(lián)合研制和功能驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)硅光芯片技術(shù)向Tb/s級(jí)的首次跨越。

研究人員分別在單顆硅基光發(fā)射芯片和硅基光接收芯片上集成了8個(gè)通道高速電光調(diào)制器和高速光電探測(cè)器，每個(gè)通道可實(shí)現(xiàn)200Gb/s PAM4高速信號(hào)的光電和電光轉(zhuǎn)換，最終經(jīng)過芯片封裝和系統(tǒng)傳輸測(cè)試，完成了單片容量高達(dá)8×200Gb/s光互連技術(shù)驗(yàn)證。

我國(guó)十分重視硅光芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，但目前國(guó)內(nèi)的高端硅光芯片以設(shè)計(jì)為主，流片主要還是在國(guó)外。芯片制備的周期長(zhǎng)、成本高，種種因素制約了我國(guó)硅光子技術(shù)的發(fā)展。

哪類企業(yè)會(huì)提前布局硅光？

目前，硅光子商業(yè)化較為成熟的領(lǐng)域主要在于數(shù)據(jù)中心、高性能數(shù)據(jù)交換、長(zhǎng)距離互聯(lián)、5G基礎(chǔ)設(shè)施等光連接領(lǐng)域，800G及以后硅光模塊性價(jià)比較為突出，產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)展看，海外巨頭Intel、思科等通過自研或收購發(fā)展較為領(lǐng)先；國(guó)內(nèi)上市公司光迅科技、新易盛、天孚通信、中際旭創(chuàng)、博創(chuàng)科技等從分立光模塊市場(chǎng)紛紛切入硅光領(lǐng)域。

一是設(shè)計(jì)企業(yè)

目前來看，硅光領(lǐng)域的主要玩家仍是半導(dǎo)體設(shè)計(jì)企業(yè)。

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(jì)出貨超400萬只，200GFR4及400GDR4正在研發(fā)。

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。

Luxtera曾研發(fā)世界第一款CMOS光子器件，為最早推出商用級(jí)硅光集成產(chǎn)品的廠商之一，2015年發(fā)布100GPSM4硅光子芯片;Acacia400G硅光模塊方案主要是將分離光器件集成為硅光芯片的基礎(chǔ)上再與自研DSP電芯片互聯(lián)，最終外接激光器進(jìn)行封裝，已于2020年開始送樣給客戶。

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(guó)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。

二是封裝企業(yè)

隨著芯片制程的逐步縮小，摩爾定律正在遇到天花板，其中芯片互連是目前的技術(shù)瓶頸之一。

硅光子封裝內(nèi)集成可以改善延遲、提高帶寬，同時(shí)可以顯著降低對(duì)功率的需求，使TBps數(shù)量級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸成為可能。

目前硅光子封裝類技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)廠商開始嘗試使用，如英特爾在高速光纖收發(fā)模組上采用硅光子封裝集成。在國(guó)內(nèi)封測(cè)巨頭長(zhǎng)電科技的布局中，其副總裁陳靈芝曾預(yù)測(cè)未來封裝技術(shù)可能方向是硅光子封裝方向。目前，長(zhǎng)電科技已經(jīng)關(guān)注硅光封裝技術(shù)。

隨著摩爾定律腳步的放緩，探索新的技術(shù)已經(jīng)成為目前半導(dǎo)體領(lǐng)域的關(guān)鍵任務(wù)。將光子和集成電路的電子結(jié)合在一起，甚至是用光子替代電子形成“片上光互聯(lián)”，以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有光模塊產(chǎn)業(yè)鏈的重塑，正成為半導(dǎo)體行業(yè)數(shù)個(gè)“顛覆式創(chuàng)新”中的重要方向之一。

當(dāng)眾多廠商開始押注硅光子技術(shù)時(shí)，硅光子技術(shù)的爆發(fā)也許就在明天。