什么是硅光子技術(shù)？后摩爾定律時(shí)代新賽道

隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程不斷加快，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入到后摩爾定律時(shí)代。微電子技術(shù)接近瓶頸，光電子技術(shù)已經(jīng)成為半導(dǎo)體領(lǐng)域競爭的另一條賽道。

什么是硅光技術(shù)?

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

互連線相當(dāng)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(gè)元件連接起來，并與外界進(jìn)行互動(dòng)交流。當(dāng)芯片越做越小時(shí)，互聯(lián)線也需要越來越細(xì)，互連線間距縮小，電子元件之間引起的寄生效應(yīng)也會(huì)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(zhì)的互聯(lián)線無疑都會(huì)遇到物理極限，而光互連則不然。

并且，基于計(jì)算機(jī)與通信網(wǎng)絡(luò)化的信息技術(shù)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(chǔ)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(shù)已經(jīng)難以滿足上述要求。

硅光子技術(shù)是一種光通信技術(shù)，使用激光束代替電子半導(dǎo)體信號(hào)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(jìn)行光器件開發(fā)和集成的新一代技術(shù)。最大的優(yōu)勢在于擁有相當(dāng)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(rèn)為是新一代半導(dǎo)體技術(shù)。

歷史上硅光子是在SOI上開發(fā)的，但SOI晶圓價(jià)格昂貴，而且不一定是所有不同光子學(xué)功能的最佳材料。同時(shí)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(shí)現(xiàn)更高的性能。

硅光學(xué)技術(shù)的目標(biāo)就是在芯片上集成光電轉(zhuǎn)換和傳輸模塊，使芯片間光信號(hào)交換成為可能。使用該技術(shù)的芯片中，電流從計(jì)算核心流出，到轉(zhuǎn)換模塊通過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)發(fā)射到電路板上鋪設(shè)的超細(xì)光纖，到另一塊芯片后再轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

其實(shí)，硅光子技術(shù)并不是一項(xiàng)剛剛誕生的新技術(shù)。早在上世紀(jì)九十年代，就提出了有關(guān)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(jì)初開始，以Intel和IBM為首的企業(yè)與學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)就開始重點(diǎn)發(fā)展硅芯片光學(xué)信號(hào)傳輸技術(shù)，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(fù)雜程度上相似，但光子芯片對(duì)結(jié)構(gòu)的要求不像電子芯片那樣嚴(yán)苛，一般是百納米級(jí)。這大大降低了對(duì)先進(jìn)工藝的依賴，在一定程度上緩解了當(dāng)前芯片發(fā)展的瓶頸問題。

業(yè)內(nèi)人士將硅光技術(shù)的發(fā)展分為三個(gè)階段。第一階段是，用硅把光通信底層器件做出來，達(dá)到工藝的標(biāo)準(zhǔn)化。第二階段是，集成技術(shù)從耦合集成向單片集成演進(jìn)，實(shí)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(shù)融合，實(shí)現(xiàn)光電全集成化。目前硅光技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了第二個(gè)階段。

隨著摩爾定律逐漸遭遇天花板，硅光子技術(shù)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(duì)硅光子技術(shù)領(lǐng)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(shù)有機(jī)結(jié)合了成熟微電子和光電子技術(shù)，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(shù)路徑。面對(duì)硅光子技術(shù)的確定性發(fā)展趨勢，海內(nèi)外巨頭公司瞄準(zhǔn)硅光子技術(shù)新賽道。

有分析預(yù)計(jì)，硅光子在光收發(fā)器市場的份額預(yù)計(jì)到2027年可能會(huì)從目前的20％擴(kuò)大到30％左右；用于消費(fèi)者健康設(shè)備的硅光子學(xué)預(yù)計(jì)到2027年復(fù)合年增長率將達(dá)到30％，達(dá)到2.4億美元；用于人工智能和其他高端計(jì)算應(yīng)用的光子處理器的復(fù)合年增長率將達(dá)到142％，達(dá)到2.44億美元。

格芯

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

GF Fotonix通過在單個(gè)硅芯片上結(jié)合光子系統(tǒng)、射頻（RF）組件和高性能互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）邏輯，將以前分布在多個(gè)芯片上的復(fù)雜工藝整合到單個(gè)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(tái)積電

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

簡單來說，該技術(shù)是將光學(xué)引擎和多種計(jì)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(shù)的芯片在功耗和速度上都將大大改善，足以應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量的爆炸式增長。從這里不難看出，COUPE封裝技術(shù)最大的特點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了我國硅光芯片技術(shù)向Tb/s級(jí)的首次跨越。

國外方面

荷蘭決定投資11億歐元，以促進(jìn)新一代硅光子技術(shù)企業(yè)的發(fā)展，為打造下一個(gè)阿斯麥做好準(zhǔn)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(xué)和特文特大學(xué)等合作機(jī)構(gòu)。荷蘭的此項(xiàng)投資是為了搶占未來半導(dǎo)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(shù)三大優(yōu)勢

· 集成度高：硅光子技術(shù)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(shù)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(jìn)一步提升，需要更大的三五族晶圓，芯片的成本支出將進(jìn)一步提升。與三五族半導(dǎo)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(dǎo)傳輸性能優(yōu)異：硅的禁帶寬度為1.12eV，對(duì)應(yīng)的光波長為1.1μm。因此，硅對(duì)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(dǎo)傳輸特性。此外，硅的折射率高達(dá)3.42，與二氧化硅可形成較大的折射率差，確保硅波導(dǎo)可以具有較小的波導(dǎo)彎曲半徑。

硅光技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

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

消費(fèi)電子

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

智能駕駛

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

量子通信

量子通信需要制備糾纏態(tài)的光子，并對(duì)其進(jìn)行操控和分析，硅光技術(shù)非常適合復(fù)雜光路控制和高集成度，北大團(tuán)隊(duì)2018年3月在Science上發(fā)表了基于硅光的量子糾纏芯片的設(shè)計(jì)。量子通信在長途干線、金融等機(jī)構(gòu)保密設(shè)備、數(shù)據(jù)中心加密等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)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(shù)方案。

目前，硅光子技術(shù)商業(yè)化較為成熟的領(lǐng)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(chǔ)設(shè)施等光連接領(lǐng)域，800G及以后硅光模塊性價(jià)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(yù)測2022年800G光模塊會(huì)逐步起量，預(yù)計(jì)到2024年規(guī)模將超過400G光模塊市場，達(dá)70億美元。

硅光技術(shù)發(fā)展面臨的難題

首先，硅光產(chǎn)品需要考慮相對(duì)高昂的成本問題。受限于大量光學(xué)器件，一個(gè)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(jià)、低性價(jià)比”的產(chǎn)品。同時(shí)，器件的性能與良品率難以得到保障。

其次，硅光芯片在各個(gè)環(huán)節(jié)都缺少標(biāo)準(zhǔn)化方案。例如設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，硅光產(chǎn)品仍需要專用EDA工具（硅光設(shè)計(jì)工具PDA）進(jìn)行設(shè)計(jì)；而在制造與封裝環(huán)節(jié)，類似臺(tái)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(wù)。

· 硅光子芯片技術(shù)的設(shè)計(jì)痛點(diǎn)：硅光芯片的設(shè)計(jì)方面面臨著架構(gòu)不完善、體積和性能平衡等難題。

硅光芯片的設(shè)計(jì)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(diǎn)是面積利用率不高、SOI襯底光/電不兼容、靈活性低和波導(dǎo)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(dǎo)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(shè)計(jì)難度大。

· 硅光子芯片技術(shù)的制造難題：硅光芯片的制造工藝面臨著自動(dòng)化程度低、產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、設(shè)備緊缺等技術(shù)難關(guān)。

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(shí)光學(xué)裝置需要更精確的做工，因?yàn)楣馐鴤鬏數(shù)男┪⑵顣?huì)造成巨大的問題，相對(duì)需要高技術(shù)及高成本。光子芯片相關(guān)的制程技術(shù)尚有待完善，良品率和成本將是考驗(yàn)產(chǎn)業(yè)的一大難題。