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(jìn)了一步。自 2023 年初以來，圍繞硅光子學(xué)進(jìn)行了大量炒作，并進(jìn)行了大量投資，特別是光計算、光 I/O 和各種傳感應(yīng)用。

市場研究機(jī)構(gòu) Yole Intelligence 表示，2022 年，硅光芯片市場價值為 6800 萬美元，預(yù)計到 2028 年將超過 6 億美元，2022 年—2028 年的復(fù)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(jī)器學(xué)習(xí)的 800G 可插拔光模塊。

硅光為何「令人相信」？

用 CMOS 技術(shù)（也就是硅光子學(xué)）制造光子電路不僅提供了半導(dǎo)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(yīng)用中發(fā)揮了優(yōu)勢。

由于這些原因，硅光子學(xué)越來越多地應(yīng)用于光學(xué)數(shù)據(jù)通信、傳感、生物醫(yī)學(xué)、汽車、虛擬現(xiàn)實和人工智能 (AI) 應(yīng)用。直到最近，硅光子學(xué)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。「光學(xué)」一詞是指對光的研究，通常用于談?wù)撊搜劭梢姷墓猓ɡ纾^燈發(fā)出的光、放大鏡等透鏡反射的光等）。「光子學(xué)」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(xué)是指使用半導(dǎo)體技術(shù)和在潔凈室設(shè)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(xué)。

換句話說，硅光子學(xué)是一個材料平臺，可以使用絕緣體上硅（SOI）晶圓作為半導(dǎo)體襯底材料來制造光子集成電路（PIC）。這項技術(shù)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(xué)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(yīng)用。然而，絕大多數(shù)半導(dǎo)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(xué)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(jì)可行的道路，因此，集成硅光子學(xué)已經(jīng)起飛。

如今，硅光子學(xué)已經(jīng)利用成熟的 CMOS 制造和設(shè)計生態(tài)系統(tǒng)來開始構(gòu)建集成光子系統(tǒng)，該生態(tài)系統(tǒng)已被證明在規(guī)?；矫娣浅＞哂谐杀拘б妗?/span>

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(kuò)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(dá)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(luò)架構(gòu)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(jī)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(jī) 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(xué)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(xué)應(yīng)用，例如診斷和分析以及消費者健康可穿戴應(yīng)用，以及用于工業(yè)自動化和自動駕駛的激光雷達(dá)。

固態(tài)激光雷達(dá)芯片在自動駕駛汽車和工業(yè)自動化領(lǐng)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(guān)道路上發(fā)生的情況的關(guān)鍵信息，并提供有關(guān)汽車應(yīng)如何反應(yīng)的輸入（例如，物體移動的方向、可能存在障礙的地方等）。當(dāng)然，設(shè)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(dá)廣泛、大量的消費應(yīng)用而言，增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實已經(jīng)在一些智能手機(jī)中引入。硅光子學(xué)的另一個可能的大規(guī)模應(yīng)用是人類健康測量，包括智能手表和體內(nèi)植入醫(yī)療設(shè)備等可穿戴設(shè)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(xì)考慮哪種技術(shù)最適合特定應(yīng)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(guān)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(dǎo)體激光器。

OpenLight 等公司已經(jīng)磨煉了各種技術(shù)，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(biāo)準(zhǔn)制造工藝的優(yōu)勢，并獲得硅光子學(xué)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(jìn)一步擴(kuò)展。過去，混合連接激光芯片引起了人們對可靠性的擔(dān)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(yīng)用開辟了可能性。然而，設(shè)計人員不應(yīng)忽視熱問題，因為激光器會產(chǎn)生熱量，在設(shè)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(shù)和經(jīng)濟(jì)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(gòu)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(yīng)用。

材料

硅光子學(xué)領(lǐng)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(xué)元件，硅光子學(xué)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(xué)芯片利用硅光子學(xué)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(dá)數(shù)據(jù)點至關(guān)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(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力，提高激光雷達(dá)系統(tǒng)性能和整體效率。

加快處理任務(wù)

數(shù)據(jù)傳輸速度是激光雷達(dá)系統(tǒng)實時處理能力的關(guān)鍵因素。硅光子學(xué)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(dǎo)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(zhǔn)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(dá)等大客戶共同開發(fā)硅光子技術(shù)、共同封裝光學(xué)元件（co-packaged optics，CPO）等新產(chǎn)品，制程技術(shù)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(dá)到放量階段。

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

而在一場半導(dǎo)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(shù)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(guān)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(lǐng)域主推的產(chǎn)品名為 COUPE（緊湊型通用光子引擎）封裝技術(shù)，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(dá)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(jì)初開始，以英特爾和 IBM為首的企業(yè)與學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)就開始重點發(fā)展硅芯片光學(xué)信號傳輸技術(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，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(jìn)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(jìn)入硅光子領(lǐng)域搶占高地。目前英特爾也是在硅光領(lǐng)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(fù)雜程度上相似，但光子芯片對結(jié)構(gòu)的要求不像電子芯片那樣嚴(yán)苛，一般是百納米級。這大大降低了對先進(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。

硅光子學(xué)正在成為一股革命性的力量，有可能超越激光雷達(dá)等傳統(tǒng)應(yīng)用的范圍重塑行業(yè)。這項技術(shù)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(jìn)展。