硅光芯片：你相信光嗎？

來自未來的硅光芯片，在 2023 年又向前邁進了一步。自 2023 年初以來，圍繞硅光子學進行了大量炒作，并進行了大量投資，特別是光計算、光 I/O 和各種傳感應用。

市場研究機構 Yole Intelligence 表示，2022 年，硅光芯片市場價值為 6800 萬美元，預計到 2028 年將超過 6 億美元，2022 年—2028 年的復合年均增長率為 44%。推動這一增長的主要因素是用于高速數(shù)據(jù)中心互聯(lián)和對更高吞吐量及更低延遲需求的機器學習的 800G 可插拔光模塊。

硅光為何「令人相信」？

用 CMOS 技術（也就是硅光子學）制造光子電路不僅提供了半導體晶圓級制造的規(guī)模，還利用光在計算、通信、傳感和成像方面的特性在新電子應用中發(fā)揮了優(yōu)勢。

由于這些原因，硅光子學越來越多地應用于光學數(shù)據(jù)通信、傳感、生物醫(yī)學、汽車、虛擬現(xiàn)實和人工智能 (AI) 應用。直到最近，硅光子學的主要挑戰(zhàn)一直是添加作為光子電路「電源」的分立激光器的成本，其中包括制造以及這些激光器在光子芯片上的組裝。

光可以表現(xiàn)得像波或粒子，并且這種行為是可以操縱的?！腹鈱W」一詞是指對光的研究，通常用于談論人眼可見的光（例如，頭燈發(fā)出的光、放大鏡等透鏡反射的光等）。「光子學」一詞是指以小得多的尺度（小于幾微米）反射或操縱光的系統(tǒng)。集成光子學是指使用半導體技術和在潔凈室設施中處理的晶圓來制造光子系統(tǒng)。如果所使用的制造工藝非常類似于 CMOS 制造，那么它就被稱為硅光子學。

換句話說，硅光子學是一個材料平臺，可以使用絕緣體上硅（SOI）晶圓作為半導體襯底材料來制造光子集成電路（PIC）。這項技術變得比以往任何時候都更加流行和可行，這是有一個重要原因的。

最初，集成光子學開始使用摻雜石英玻璃、鈮酸鋰或磷化銦等材料作為材料表面，特別是對于電信和長途數(shù)據(jù)通信應用。然而，絕大多數(shù)半導體行業(yè)使用硅作為主要材料來創(chuàng)建集成 CMOS 電路，實現(xiàn)了非常高的產(chǎn)量和低成本。光子學的物理特性使其非常適合使用舊硅節(jié)點上使用的 CMOS 工藝來圖案化和制造光子器件和電路。使用成熟的制造工藝為大規(guī)模生產(chǎn)開辟了一條經(jīng)濟可行的道路，因此，集成硅光子學已經(jīng)起飛。

如今，硅光子學已經(jīng)利用成熟的 CMOS 制造和設計生態(tài)系統(tǒng)來開始構建集成光子系統(tǒng)，該生態(tài)系統(tǒng)已被證明在規(guī)模化方面非常具有成本效益。

主要優(yōu)點

現(xiàn)在，該行業(yè)可以在硅晶圓上高效地制造 PIC，硅光子帶來的所有優(yōu)勢都可以開始在主流電子產(chǎn)品中得到利用。PIC 的主要優(yōu)勢之一是它們能夠?qū)崿F(xiàn)、擴展和增加數(shù)據(jù)傳輸。從歷史上看，對于較長的距離，銅鏈路首先達到帶寬與能耗的限制。最近，光纖連接被用于數(shù)據(jù)中心，以實現(xiàn)網(wǎng)絡架構中越來越短的連接。最新趨勢是通過從可插拔光收發(fā)器轉(zhuǎn)移到與交換機采用同一封裝的光 I/O 小芯片，將光連接移至更靠近交換機 ASIC 的位置。這縮短了高速電氣 SerDes 鏈路的距離，從而降低了 I/O 的總體能耗。

除了用于數(shù)據(jù)中心外，硅光子還可以用于傳感，這有利于各種不同的行業(yè)。例如，光學傳感、信號傳輸以及反射或傳輸光信號的接收可以幫助確定周圍環(huán)境的特性。這種傳感活動有利于健康和生物醫(yī)學應用，例如診斷和分析以及消費者健康可穿戴應用，以及用于工業(yè)自動化和自動駕駛的激光雷達。

固態(tài)激光雷達芯片在自動駕駛汽車和工業(yè)自動化領域越來越受歡迎。LiDAR 不使用射頻 (RF) 信號，而是使用表面反射的光來分析和提供有關道路上發(fā)生的情況的關鍵信息，并提供有關汽車應如何反應的輸入（例如，物體移動的方向、可能存在障礙的地方等）。當然，設計任何將用于汽車行業(yè)的東西都需要考慮許多安全法規(guī)。就激光雷達廣泛、大量的消費應用而言，增強虛擬現(xiàn)實已經(jīng)在一些智能手機中引入。硅光子學的另一個可能的大規(guī)模應用是人類健康測量，包括智能手表和體內(nèi)植入醫(yī)療設備等可穿戴設備的心率、飽和度和水合水平。

與任何產(chǎn)品開發(fā)過程一樣，需要仔細考慮哪種技術最適合特定應用的決策，包括成本、性能要求、上市需要多長時間以及與客戶現(xiàn)有的關系等因素。

就像電路中的電壓源一樣，激光器是硅光子電路的電源。目前，由于材料的間接帶隙，不可能在硅中制造光源（或激光器）。這就是為什么磷化銦等材料被用來制造用于電信和數(shù)據(jù)通信的波長的半導體激光器。

OpenLight 等公司已經(jīng)磨煉了各種技術，將磷化銦集成到硅光子芯片中，以創(chuàng)建驅(qū)動光子電路的集成激光器、調(diào)制器和探測器。這使客戶能夠獲得標準制造工藝的優(yōu)勢，并獲得硅光子學的許多性能優(yōu)勢。此外，可以在同一系統(tǒng)中使用波長略有不同的多個激光器，以進一步擴展。過去，混合連接激光芯片引起了人們對可靠性的擔憂，但集成激光器提高了可靠性，并為需要多個激光器或放大部分的應用開辟了可能性。然而，設計人員不應忽視熱問題，因為激光器會產(chǎn)生熱量，在設計電路和封裝時需要考慮這一點。

硅光子產(chǎn)業(yè)因其帶來的巨大技術和經(jīng)濟價值才剛剛起步。光輸入/輸出 (I/O) 距離核心硅越近（通過 2.5/3D 異構集成），對通信的影響就越小，這使其非常適合高性能計算和人工智能應用。

材料

硅光子學領域并不局限于單一基板或材料。傳統(tǒng)上，硅作為光發(fā)射器的效率受限，主要由于其內(nèi)量子效率較低。但如在硅基底上創(chuàng)建有源光學元件，硅光子學已經(jīng)實現(xiàn)了大規(guī)模生產(chǎn)的重大突破。

管理海量數(shù)據(jù)吞吐量

超高密度光學芯片利用硅光子學在單個芯片上提供更多數(shù)量的通道。這對于并行處理大量激光雷達數(shù)據(jù)點至關重要，確保系統(tǒng)能夠滿足實時分析的需求。硅光子的集成可以增強數(shù)據(jù)處理能力，提高激光雷達系統(tǒng)性能和整體效率。

加快處理任務

數(shù)據(jù)傳輸速度是激光雷達系統(tǒng)實時處理能力的關鍵因素。硅光子學可以將眾多組件集成到單個芯片上，從而以光速傳輸數(shù)據(jù)。這與傳統(tǒng)的銅基系統(tǒng)形成鮮明對比，導致處理速度顯著加快。組件的整合不僅提高了速度，還提高了整體數(shù)據(jù)處理效率，減少了延遲并確保實時準確地環(huán)境分析。

大廠「循著光照的方向」

去年有報道稱，臺積電將攜手博通、英偉達等大客戶共同開發(fā)硅光子技術、共同封裝光學元件（co-packaged optics，CPO）等新產(chǎn)品，制程技術從 45nm 延伸到 7nm，最快明年下半年開始迎來大單，并在 2025 年左右達到放量階段。

對于這則傳聞，臺積電表示，不回應客戶及產(chǎn)品狀況。不過臺積電高度看好硅光子技術在未來的場景。

而在一場半導體座談會上，臺積電副總余振華也公開透露了自己對硅光子技術的看法：「如果能提供一個良好的硅光子整合系統(tǒng)，就能解決能源效率和 AI 運算能力兩大關鍵問題。這會是一個新的范式轉(zhuǎn)移。我們可能處于一個新時代的開端?！?/span>

對于臺積電來說，此前在該領域主推的產(chǎn)品名為 COUPE（緊湊型通用光子引擎）封裝技術，其最大的特點是可以降低功耗、提升帶寬。臺積電計劃在一項與英偉達深度合作的研發(fā)項目中嘗試使用，將多個 AI GPU 組合成一塊 GPU。該研發(fā)項目將持續(xù)數(shù)年時間，且必須等到硅光子生態(tài)系統(tǒng)成熟才算完成。

21 世紀初開始，以英特爾和 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，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入硅光子領域搶占高地。目前英特爾也是在硅光領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雜程度上相似，但光子芯片對結(jié)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。

硅光子學正在成為一股革命性的力量，有可能超越激光雷達等傳統(tǒng)應用的范圍重塑行業(yè)。這項技術涉及使用硅基組件來產(chǎn)生、操縱和檢測光，不僅突破了汽車創(chuàng)新的界限，而且還在倉庫自動化、數(shù)據(jù)中心和電信等市場取得了重大進展。