什么是硅光子技術？后摩爾定律時代新賽道

隨著半導體產(chǎn)業(yè)化進程不斷加快，現(xiàn)在已經(jīng)進入到后摩爾定律時代。微電子技術接近瓶頸，光電子技術已經(jīng)成為半導體領域競爭的另一條賽道。

什么是硅光技術?

在芯片技術的發(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成為影響芯片性能的重要因素。芯片互連是目前的技術瓶頸之一，而硅光子技術則有可能解決這一問題。

互連線相當于微型電子器件內(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，并與外界進行互動交流。當芯片越做越小時，互聯(lián)線也需要越來越細，互連線間距縮小，電子元件之間引起的寄生效應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，而這些材質的互聯(lián)線無疑都會遇到物理極限，而光互連則不然。

并且，基于計算機與通信網(wǎng)絡化的信息技術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。僅僅利用電子作為信息載體的硅集成電路技術已經(jīng)難以滿足上述要求。

硅光子技術是一種光通信技術，使用激光束代替電子半導體信號傳輸數(shù)據(jù)，是基于硅和硅基襯底材料，利用現(xiàn)有CMOS工藝進行光器件開發(fā)和集成的新一代技術。最大的優(yōu)勢在于擁有相當高的傳輸速率，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，因此被認為是新一代半導體技術。

歷史上硅光子是在SOI上開發(fā)的，但SOI晶圓價格昂貴，而且不一定是所有不同光子學功能的最佳材料。同時隨著數(shù)據(jù)速率的提高，硅上的高速調(diào)制正成為瓶頸，因此正在開發(fā)各種新材料，如LNO薄膜、InP、BTO、聚合物和等離子材料，以實現(xiàn)更高的性能。

硅光學技術的目標就是在芯片上集成光電轉換和傳輸模塊，使芯片間光信號交換成為可能。使用該技術的芯片中，電流從計算核心流出，到轉換模塊通過光電效應轉換為光信號發(fā)射到電路板上鋪設的超細光纖，到另一塊芯片后再轉換為電信號。

其實，硅光子技術并不是一項剛剛誕生的新技術。早在上世紀九十年代，就提出了有關的一些概念，是為了在芯片發(fā)展到物理極限后取而代之，以延續(xù)摩爾定律。21世紀初開始，以Intel和IBM為首的企業(yè)與學術機構就開始重點發(fā)展硅芯片光學信號傳輸技術，期望有朝一日能用光通路取代芯片之間的數(shù)據(jù)電路。

在制造工藝上，光子芯片和電子芯片雖然在流程和復雜程度上相似，但光子芯片對結構的要求不像電子芯片那樣嚴苛，一般是百納米級。這大大降低了對先進工藝的依賴，在一定程度上緩解了當前芯片發(fā)展的瓶頸問題。

業(yè)內(nèi)人士將硅光技術的發(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，達到工藝的標準化。第二階段是，集成技術從耦合集成向單片集成演進，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，光電一體技術融合，實現(xiàn)光電全集成化。目前硅光技術已經(jīng)發(fā)展到了第二個階段。

隨著摩爾定律逐漸遭遇天花板，硅光子技術的投入研發(fā)再次被重視，越來越多的科技公司開始加大對硅光子技術領域的研發(fā)投入。

在10nm后硅基CMOS摩爾定律開始失效，傳統(tǒng)集成電路、器件提升帶寬模式逼近極限。相比之下，硅光技術有機結合了成熟微電子和光電子技術，既減小了芯片尺寸，降低成本、功耗、又提高了可靠性，成為“超越摩爾”的新技術路徑。面對硅光子技術的確定性發(fā)展趨勢，海內(nèi)外巨頭公司瞄準硅光子技術新賽道。

有分析預計，硅光子在光收發(fā)器市場的份額預計到2027年可能會從目前的20％擴大到30％左右；用于消費者健康設備的硅光子學預計到2027年復合年增長率將達到30％，達到2.4億美元；用于人工智能和其他高端計算應用的光子處理器的復合年增長率將達到142％，達到2.44億美元。

格芯

格芯在退出與英特爾、三星和臺積電的最先進處理器制造競爭后，在芯片領域稍顯落后，但是現(xiàn)在正在加倍投入硅光子學 —— 日前宣布推出新一代硅光子平臺GF Fotonix。

GF Fotonix通過在單個硅芯片上結合光子系統(tǒng)、射頻（RF）組件和高性能互補金屬氧化物半導體（CMOS）邏輯，將以前分布在多個芯片上的復雜工藝整合到單個芯片上。格芯是唯一一家擁有300mm單片硅光子解決方案的純晶圓代工廠。

臺積電

業(yè)內(nèi)人士透露，臺積電將與英偉達合作硅光子集成研發(fā)項目。合作項目將持續(xù)數(shù)年，該項目將使用臺積電COUPE（compactuniversal photonic engine，緊湊型通用光子引擎）異構集成封裝技術。

簡單來說，該技術是將光學引擎和多種計算/控制器件集成在同一封裝載板或中間器上，使得組件之間的距離更近，提高帶寬和功率效率，并減少電耦合損耗。在相同功率下，使用COUPE封裝技術的芯片在功耗和速度上都將大大改善，足以應對網(wǎng)絡流量的爆炸式增長。從這里不難看出，COUPE封裝技術最大的特點就是降低功耗、提升帶寬。

國內(nèi)方面

2021年12月，國家信息光電子創(chuàng)新中心、鵬城實驗室在國內(nèi)率先完成了1.6Tb/s硅基光收發(fā)芯片的聯(lián)合研制和功能驗證，實現(xiàn)了我國硅光芯片技術向Tb/s級的首次跨越。

國外方面

荷蘭決定投資11億歐元，以促進新一代硅光子技術企業(yè)的發(fā)展，為打造下一個阿斯麥做好準備。這11億歐元中，4億7100萬歐元來自于荷蘭政府，其余的投資則來自于荷蘭埃因霍溫理工大學和特文特大學等合作機構。荷蘭的此項投資是為了搶占未來半導體市場，發(fā)掘類似阿斯麥的新尖端企業(yè)的戰(zhàn)略。

硅光子技術三大優(yōu)勢

· 集成度高：硅光子技術以硅作為集成芯片的襯底，硅基材料成本低且延展性好，可以利用成熟的硅CMOS工藝制作光器件。與傳統(tǒng)方案相比，硅光子技術具有更高的集成度及更多的嵌入式功能，有利于提升芯片的集成度。

· 成本下降潛力大：傳統(tǒng)的GaAs/InP襯底因晶圓材料生長受限，生產(chǎn)成本較高。近年來，隨著傳輸速率的進一步提升，需要更大的三五族晶圓，芯片的成本支出將進一步提升。與三五族半導體相比，硅基材料成本較低且可以大尺寸制造，芯片成本得以大幅降低。

· 波導傳輸性能優(yōu)異：硅的禁帶寬度為1.12eV，對應的光波長為1.1μm。因此，硅對于1.1-1.6μm的通信波段（典型波長1.31μm/1.55μm）是透明的，具有優(yōu)異的波導傳輸特性。此外，硅的折射率高達3.42，與二氧化硅可形成較大的折射率差，確保硅波導可以具有較小的波導彎曲半徑。

硅光技術的應用領域

硅光子技術的高度集成特性在對尺寸更加敏感的消費領域存在更大需求，消費電子、智能駕駛、量子通信等領域有很大的發(fā)展空間。

消費電子

硅光的高集成度特性非常適合消費電子的需求，在有限的空間集成更多的器件，針對消費電子的硅光應用或有更多應用場景。

智能駕駛

目前車載激光雷達（LiDAR）已經(jīng)成為比較成熟的技術路線，LiDAR需要多個激光發(fā)射源和接收器，或使用多路信號控制。硅光的高度集成性和電光效應相位調(diào)諧能力非常適宜LiDAR應用，目前有MIT、OURS等多個團隊推出基于硅光的LiDAR產(chǎn)品，隨著無人駕駛、輔助駕駛應用逐步成熟，LiDAR有望成為硅光重要應用領域。

量子通信

量子通信需要制備糾纏態(tài)的光子，并對其進行操控和分析，硅光技術非常適合復雜光路控制和高集成度，北大團隊2018年3月在Science上發(fā)表了基于硅光的量子糾纏芯片的設計。量子通信在長途干線、金融等機構保密設備、數(shù)據(jù)中心加密等領域有廣泛的應用空間，基于硅光的量子通信芯片有望成為未來重要的技術方案。

目前，硅光子技術商業(yè)化較為成熟的領域主要在于數(shù)據(jù)中心、高性能數(shù)據(jù)交換、長距離互聯(lián)、5G基礎設施等光連接領域，800G及以后硅光模塊性價比較為突出。未來3年，硅光芯片將支撐大型數(shù)據(jù)中心的高速信息傳輸，LightCounting預測2022年800G光模塊會逐步起量，預計到2024年規(guī)模將超過400G光模塊市場，達70億美元。

硅光技術發(fā)展面臨的難題

首先，硅光產(chǎn)品需要考慮相對高昂的成本問題。受限于大量光學器件，一個硅光器件需要采用各種材料，在缺乏大規(guī)模需求的情況下，硅光產(chǎn)品成為一種“高價、低性價比”的產(chǎn)品。同時，器件的性能與良品率難以得到保障。

其次，硅光芯片在各個環(huán)節(jié)都缺少標準化方案。例如設計環(huán)節(jié)，硅光產(chǎn)品仍需要專用EDA工具（硅光設計工具PDA）進行設計；而在制造與封裝環(huán)節(jié)，類似臺積電、三星等大型晶圓代工廠都沒有提供硅光工藝晶圓代工服務。

· 硅光子芯片技術的設計痛點：硅光芯片的設計方面面臨著架構不完善、體積和性能平衡等難題。

硅光芯片的設計方案有三大主流：前端集成、混合集成和后端集成。前端集成的缺點是面積利用率不高、SOI襯底光/電不兼容、靈活性低和波導掩埋等，在工藝上的成本超高；后端集成在制造方面難度很大，尤其是波導制備目前而言很有挑戰(zhàn)；至于混合集成，雖然工藝靈活，但成本較高，設計難度大。

· 硅光子芯片技術的制造難題：硅光芯片的制造工藝面臨著自動化程度低、產(chǎn)業(yè)標準不統(tǒng)一、設備緊缺等技術難關。

由于光波長難以壓縮，過長的波長限制芯片體積微縮的可能。同時光學裝置需要更精確的做工，因為光束傳輸?shù)男┪⑵顣斐删薮蟮膯栴}，相對需要高技術及高成本。光子芯片相關的制程技術尚有待完善，良品率和成本將是考驗產(chǎn)業(yè)的一大難題。