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作者 | 方文三
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。
台积电押注硅光芯片，与大客户开发新产品
在最近一次的半导体展览中，台积电董事长刘德音发表演讲，强调了硅光子技术在半导体产业中的关键作用。
他指出，随着人工智能应用的不断发展，硅光子技术将成为未来半导体产业的重要推动力。
刘德音此次的演讲进一步表明了台积电对于半导体行业未来的发展趋势的判断，同时也为该公司在半导体产业中的未来发展提供了新的思路。
目前台积电计划携手博通、英伟达等大客户共同开发硅光子技术、共同封装光学元件（CPO）等新产品。
制程技术从45nm延伸到7nm，最快明年下半年开始迎来大单，并在2025年左右达到放量阶段。
台积电已组建了一支由约200名专家组成的专门研发团队，专注于利用硅光子技术开发未来芯片。
此次合作旨在生产下一代硅光子芯片，预计最早将于 2024 年下半年获得大量订单。
技术突破传统限制，硅光芯片优势明显
硅光子技术可以将电换成传输速度更快的光，实现更快的传输速率、更远的传输距离以及更低的功耗和延迟。
理论上，当光学接口与CPU和GPU封装在一起，能够有效扩展GPU间的带宽，同时节省能耗和面积，真正将数百台服务器作为一个巨型的GPU。
硅光芯片有三大优势：集成度高、成本下降潜力大、波导传输性能优异。
①硅光子技术具有更高的集成度及更多嵌入式功能，可提升芯片的集成度。
②硅光子芯片基础材料只需硅基材料，大规模生产可降低成本。
③硅对1.1-1.6μm通信波段透明，具有优异的波导传输特性，折射率高可形成大折射率差。
业内人士将硅光技术的发展分为三个阶段：
①用硅把光通信底层器件做出来，达到工艺的标准化。
②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。
③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。
硅光产业现在正处在前期扩张阶段，未来可能会成为一个像集成电路那样大规模的产业。
光电封装成高景气赛道，CPO成关注重点
光电封装可能会成为发展最快的赛道，而共封装光学（CPO）是最值得关注的技术方向。
据CIR数据显示：到2027年，共封装光学市场的收入可能会达到54亿美元。
像英特尔、IBM、Oracle和中兴通讯这些知名的半导体和信息技术公司都在投入很多精力和资金来推进硅光的产业化。
现在，台积电、英特尔、英伟达、博通这些国际半导体巨头都在研究硅光子以及共封装光学（CPO）技术，预计最快在2024年这个市场会出现爆发式的增长。
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。
据SEMI估计：到2030年，全球硅光芯片市场规模可能会从2022年的12.6亿美元增长到78.6亿美元。
其中一个很重要的进展是格芯在2022年3月推出了一个硅光子平台Fotonix，可以在90WG和45CLO工艺节点以及封装工艺上进行布局。
英伟达在2021年以69亿美元现金收购了光纤互连技术提供商Mellanox Technologies，这是其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。
算力、激光雷达、健康监测成显著增长点
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。
车载激光雷达技术在智能驾驶中广泛应用，硅光芯片由于高度集成性和电光效应相位调谐能力，在多路信号控制上具有优势。
北大团队在Science上发表了基于硅光的量子纠缠芯片设计，量子通信在军事、金融、数据中心加密等保密领域具有颠覆性优势，基于硅光的量子通信芯片有望成为未来重要技术方案。
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。
由于仍属前沿技术，当前全球范围内专注且有出货硅光产品的企业不多。
包括Mellanox、思科、Luxtera、意法半导体、Acacia与Molex等，绝大多数为在光通信和硅光领域有较长时间积累的海外巨头。
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。
将为数据中心内超高带宽数据互联的标配
在信息传输方面，数据中心内大规模的分布式计算使得服务器之间需要进行频繁的大量数据交换，数据的访问与搬运性能成为与计算性能一样重要的指标。
传统的高速光模块在通信网络设备成本中占比高达50%-60%，其高昂的成本阻碍了数据传输速率的发展。
而硅光芯片能够在较低的成本下，提供数据中心集群设备间、服务器与服务器间、甚至是芯片内部的超高速光互连。
在信息处理方面，硅光芯片具备相比电子芯片更快的矩阵运算速率。
AI正在从[模型为中心]向[数据为中心]转变，基于海量数据的大模型背后，将会是硅光芯片大放异彩的赛场。
2018年，中国自行研制的[100G硅光收发芯片]在武汉投产使用，这标志着中国商用100G硅光芯片正式研制成功。
苏州熹联光在2021年10月并购行业领先的sicoya，其100G光模块已实现规模化量产，400G光学引擎及光模块已进入客户送样认证阶段。
光迅科技是国内为数不多的能够对400G硅光数通模块进行商业出货的公司，目前其国内的最大客户是阿里。
未来，硅光子的主要技术演进将集中在更高集成度，800G硅光模块将成为未来几年的主要增长点。
结尾：
行业里的人都在说，硅光产业肯定是大势所趋。它的应用场景那么多，市场潜力特别大，让人看了都激动。
但其实，不管应用场景有多厉害，真正重要的还是底层的硅光生态。
要真的推动这个万亿产业的发展，需要的不只是那些表面的拉动，更需要的反而是底下工艺生态的建设。
现在硅光产业面临的难题也不少，比如工艺平台还没搞好，硅基有源器件做不出来，纳米尺寸硅光技术路径不靠谱等问题。
部分资料参考：
电子发烧友网：《台积电押注硅光芯片，预计2025年进入大批量生产》， DeepTech深科技：《硅光芯片将成为数据中心内超高带宽数据互联的标配》，半导体产业纵横：《国产厂商抢占硅光芯片的风口》，半导体行业观察：《硅光芯片的机遇与挑战》，镁客网：《巨头押注的硅光芯片，这次真要来了？》
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