Next-generation AI computing power "revolutionary technology", TSMC bets on "silicon photonics chips", is there an opportunity for the chip industry to "overtake on a curve"?

全球最大芯片製造商台積電正在大舉押注新興半導體領域——硅光芯片。

據媒體報道，台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户進行談判，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，相關製程技術涵蓋 45nm 至 7nm，預計最快將於 2024 年下半年開始迎來大單。

台積電系統集成探路副總裁餘振華此前表示：

“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。這將是一個新的範式轉變。我們可能正處於一個新時代的開端。”

他説，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。

什麼是硅光技術？

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，是基於硅和硅基襯底材料，利用現有 CMOS 工藝進行光器件開發和集成的新一代技術。最大的優勢在於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，隨着芯片製程的逐步縮小，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。

互連線相當於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，並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。

並且，基於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。

隨着雲計算、大數據、人工智能的快速發展，社會對於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，硅光技術正憑藉其在高傳輸速率、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。

並不是一項剛剛誕生的新技術

其實，硅光子技術並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，但是由於 InP 波導的高損耗和工藝落後難以實現大規模集成，這一技術在當時未能掀起波瀾。

之後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後，硅光芯片開始進入產業化階段。隨後歐美一批傳統集成電路和光電巨頭通過併購迅速進入硅光子領域搶佔高地。目前英特爾也是在硅光領域佈局最全面的公司。

在製造工藝上，光子芯片和電子芯片雖然在流程和複雜程度上相似，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，硅光產業正處於前期擴張階段，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。

這其中的標誌性事件，便是注重規模效應的晶圓代工公司格芯（GlobalFoundries）於 2022 年 3 月份推出了硅光子平台 Fotonix，以此佈局 90WG 和 45CLO 工藝節點以及封裝工藝，平台合作伙伴包括 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於光子學的初創公司。

報道稱，隨着台積電、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，複合年增長率達到 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。但中國對於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並沒有十年之久。

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 為代表的美國企業佔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% 是基於硅光芯片實現。

數據中心場景下，CSP 和雲提供商（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户的高帶寬需求，通信速率正由 100、200G 向 400G、800G、1.6T、3.2T 迭代，而且迭代週期持續縮短。

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於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採用可插拔光學元件，隨着傳輸速度快速發展並進入 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 等大廠採用，並應用於新一代網絡架構。

不過，即便 CPO 技術有望很快量產，但初期生產成本仍偏高。隨着先進製程推進到 3nm 節點，AI 運算將推動高速傳輸的需求，並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 年之後將大量進入市場。

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温度範圍的 100G 收發器，支持在-40℃~85℃的工作温度範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，已然搶佔硅光通信 40% 以上的市場份額；Cisco、Marvell、博通等通信光模塊頭部企業則基於併購模式佈局硅光模塊業務；

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並且發展迅速，亨通光電則與英國洛克利公司（Rockley Photonics）合資成立 “亨通洛克利” 來佈局硅光產品。

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湧入硅光賽道，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。

隨着摩爾定律的失效，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，英特爾數據中心已採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 應用於 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 全球閃存峯會 (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，並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於光計算範疇，但光量子計算落地週期樂觀預計仍需 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，但迴歸製造業本質，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，在於工藝平台尚不成熟、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，尤其是工藝平台的建設至關重要。