全球最大芯片制造商臺積電正在大舉押注新興半導體領域——硅光芯片。

據媒體報道，臺積電已組建了一支約200人的研發團隊，瞄準明年即將到來的硅光子超高速芯片商機；該公司不僅正在積極推進硅光子技術，還在與博通和英偉達等大客戶進行談判，共同開發以該技術為中心的應用。

報道稱，此次合作旨在生產下一代硅光子芯片，相關制程技術涵蓋45nm至7nm，預計最快將于2024年下半年開始迎來大單。

臺積電系統集成探路副總裁余振華此前表示：

“如果我們能夠提供良好的硅光子整合系統……我們就可以解決AI的能源效率和計算能力的關鍵問題。這將是一個新的范式轉變。我們可能正處于一個新時代的開端。”

他說，一個更好、更集成的硅光子系統是運行大型語言模型（支撐ChatGPT和Bard等聊天機器人的技術）和其他人工智能計算應用程序所需的強大計算能力的驅動力。

什么是硅光技術？

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據，是基于硅和硅基襯底材料，利用現有CMOS工藝進行光器件開發和集成的新一代技術。最大的優勢在于擁有相當高的傳輸速率，可使處理器內核之間的數據傳輸速度快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。

在芯片技術的發展過程中，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，而這些材質的互聯線無疑都會遇到物理極限。

光互連則不然。

并且，基于計算機與通信網絡化的信息技術也希望其功能器件和系統具有更快的處理速度、更大的數據存儲容量和更高的傳輸速率。這時僅僅利用電子作為信息載體的硅集成電路技術已經難以滿足上述要求。

隨著云計算、大數據、人工智能的快速發展，社會對于信息獲取與處理效率的需求持續攀升，但摩爾定律失效在即，硅光技術正憑借其在高傳輸速率、高能效比、超低延遲等方面的突出優勢，成為半導體領域競爭的另一條賽道。

并不是一項剛剛誕生的新技術

其實，硅光子技術并不是一項剛剛誕生的新技術。

早在1969年，美國的貝爾實驗室的S.E.Miller首次提出了集成光學的概念，但是由于InP波導的高損耗和工藝落后難以實現大規模集成，這一技術在當時未能掀起波瀾。

之后將這一技術發揚光大的是英特爾。

21世紀初開始，以英特爾和IBM為首的企業與學術機構就開始重點發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據電路，以延續摩爾定律。

2010年，英特爾開發出首個50Gb/s超短距硅基集成光收發芯片后，硅光芯片開始進入產業化階段。隨后歐美一批傳統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展的瓶頸問題。

業內人士將硅光技術的發展分為三個階段：

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，實現光電全集成化。

目前硅光技術已經發展到了第二個階段。

預計最快2024年會出現爆發式增長

分析人士稱，如20世紀70年代的微電子技術一般，硅光產業正處于前期擴張階段，未來更是有望成為媲美集成電路龐大規模的產業，拉動萬億市場。

正因如此，諸如英特爾、IBM、Oracle、中興通訊等著名的半導體企業和信息技術企業，正投入大量的人力和財力推進硅光的產業化。

這其中的標志性事件，便是注重規模效應的晶圓代工公司格芯（GlobalFoundries）于2022年3月份推出了硅光子平臺Fotonix，以此布局90WG和45CLO工藝節點以及封裝工藝，平臺合作伙伴包括4家頂級光子收發器供應商中的3家、5家頂級網絡公司中的4家、4家領先的EDA和仿真公司中的3家，以及一些最有前途的基于光子學的初創公司。

報道稱，隨著臺積電、英特爾、英偉達、博通等國際半導體巨頭都陸續開展硅光子及共封裝光學（CPO）技術，預計最快2024年該市場會出現爆發式增長。

據行業人士判斷，光電封裝或將是發展最快的賽道，而共封裝光學（CPO）是最值得關注的技術方向。根據市場調研機構CIR的數據，到2027年，共封裝光學市場收入將達到54億美元。

此外，據國際半導體產業協會（SEMI）估計，到2030年，全球硅光芯片市場規模預計將從2022年的12.6億美元增至78.6億美元，復合年增長率達到25.7%。

兵家必爭之地

硅光芯片已成為半導體行業的一個密集投資領域，眾多科技公司都在關注其在數據中心、超級計算機和網絡設備、無人駕駛汽車和國防雷達系統等各個領域的潛在用途。

不只是英特爾、思科和IBM，英偉達也在2021年以69億美元現金收購了光纖互連技術提供商Mellanox Technologies，這是英偉達史上最大規模的一筆收購交易。

華為多年來也在一直投資開發硅光技術，包括在英國劍橋建立了一個研發基地。

縱觀硅光子在全球的發展情況，美國是硅光子最先興起的，也是目前發展最超前的國家。

中國真正開始大規模研究硅光子是在2010年左右，之前多為學術上的研究，起步晚導致中國在硅光子的產品化進程上不如美國。但中國對于硅光子技術研發方面人才和資金的大規模投入，使得國內硅光產業與國外差距并沒有十年之久。

2017年中國的硅光產業迎來快速發展。

從產業鏈進展看，全球硅光產業鏈已經逐漸成熟，從基礎研發到商業應用的各個環節均有代表性的企業。

其中以英特爾、思科、Inphi為代表的美國企業占據了硅光芯片和模塊出貨量的大部分，成為業內領頭羊。

國內廠商主要有中際旭創、熹聯光芯、華工科技、新易盛、光迅科技、博創科技、華為、亨通光電等。

雖然國產廠商進入該領域較晚，市場份額相對較小，但是通過近年來在技術上的快速追趕，國產廠商與國外廠商在技術上的差距已經在逐步縮小。

硅光的應用場景

光通信領域是硅光芯片的主要應用場景。

目前，產業內已基本建立了面向數據中心、光纖傳輸、5G承載網、光接入等市場的系列硅光通信產品解決方案，其中數據中心光通信是硅光的最大市場，微軟的內部數據中心互連有超過40%是基于硅光芯片實現。

數據中心場景下，CSP和云提供商（諸如Facebook、Apple、騰訊等）正轉向大規模數據中心，Capex支出持續提升以支持客戶的高帶寬需求，通信速率正由100、200G向400G、800G、1.6T、3.2T迭代，而且迭代周期持續縮短。

在此背景下，傳統的可插拔光模塊在性價比及功耗方面已然“捉襟見肘”，而高集成高速硅光芯片由于在潛在降價空間與功耗方面有明顯優勢，則成為更優越的選項。

業界分析，高速數據傳輸目前仍采用可插拔光學元件，隨著傳輸速度快速發展并進入800G時代，以及未來進入1.6T至3.2T等更高傳輸速率，功率損耗、散熱管理將會是最大難題。半導體業界提出的方案是，將硅光子光學元件及交換器特殊應用芯片（ASIC），通過CPO封裝技術整合為單一模組。此方案已開始獲得微軟、Meta等大廠采用，并應用于新一代網絡架構。

不過，即便CPO技術有望很快量產，但初期生產成本仍偏高。隨著先進制程推進到3nm節點，AI運算將推動高速傳輸的需求，并進一步帶動高速網絡架構重整，預計未來CPO技術將不可或缺，2025年之后將大量進入市場。

此外，在5G承載網市場中，5G前傳（電信側光模塊）是硅光技術的又一市場增長點，英特爾已針對5G前傳發布具有擴展工作溫度范圍的100G收發器，支持在-40℃~85℃的工作溫度范圍內通過單模光纖實現10km鏈路。

雖然滲透率的節奏很難有明確判斷，但硅光趨勢的確定性毋庸置疑。英特爾作為硅光領域的帶頭企業，已然搶占硅光通信40%以上的市場份額；Cisco、Marvell、博通等通信光模塊頭部企業則基于并購模式布局硅光模塊業務；

國內企業中，華為（海思）、海信寬帶（Hisense）、旭創科技（Innolignt）、亨通光電、光迅科技（Accelink）等光模塊廠商陸續推出硅光通信模塊，旭創科技成立硅光業務事業部并且發展迅速，亨通光電則與英國洛克利公司（Rockley Photonics）合資成立“亨通洛克利”來布局硅光產品。

此外，諸如熹聯光芯、賽勒光電、羲禾科技、雨數光科等大批創業企業也紛紛涌入硅光賽道，但目前尚待高速率通信應用市場成熟，尤其是1.6T等更高速率光模塊市場高速發展。

光傳感領域——應用場景眾多且迭代迅速，硅光發展潛力巨大。

現階段來看，面向自動駕駛的激光雷達硅光芯片以及面向消費者健康監測及診斷的硅光芯片將是重要增長點。

隨著摩爾定律的失效，光計算與硅光概念同時被關注。

短期內，片間光互連、片上光互連將是算力提升方向最先商業化成功的應用。

目前，英特爾數據中心已采用片間光互連提高計算效能，英偉達也將與Ayar Labs合作將光學I/O應用于AI/HPC架構。Ayar Lab是光互連賽道的主要創業公司，持續融資已超過2億美元，B輪估值為11.375億美元，C輪估值估計已超過20億美元，投資方包括Intel、NVIDIA、Global Foundries等。

據報道，光計算創業企業曦智科技在今年8月舉行的2023全球閃存峰會(FMS)上，推出了首款適用PCIe和CXL協議的數據中心光互連硬件產品——Photowave，并現場演示了內存擴展光互連解決方案。

此外，光量子計算本質也屬于光計算范疇，但光量子計算落地周期樂觀預計仍需5~10年左右，短期內無法拉動硅光產業的發展。

行業人士分析稱，硅光產業是大勢所趨，應用場景側的市場空間潛力令人激動，但回歸制造業本質，硅光產業的基礎是硅光生態，若要推動萬億產業市場的落地，不僅需要應用側的拉動，更需要底層工藝生態的建設。

目前硅光產業面臨的關鍵問題，在于工藝平臺尚不成熟、硅基有源器件難以實現以及納米尺寸硅光技術路徑尚未收斂等等，尤其是工藝平臺的建設至關重要。