傳統(tǒng)硅芯片再“升級(jí)”，硅光芯片展現(xiàn)出性能潛力
市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Yole Intelligence表示，2022年，硅光芯片市場(chǎng)價(jià)值為6800萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)到2028年將超過(guò)6億美元，2022年—2028年的復(fù)合年均增長(zhǎng)率為44%。推動(dòng)這一增長(zhǎng)的主要因素是用于高速數(shù)據(jù)中心互聯(lián)和對(duì)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(jí)制造的規(guī)模，還利用光在計(jì)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(shì)。
由于這些原因，硅光子學(xué)越來(lái)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(shí)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?！肮鈱W(xué)”一詞是指對(duì)光的研究，通常用于談?wù)撊搜劭梢?jiàn)的光（例如，頭燈發(fā)出的光、放大鏡等透鏡反射的光等）?！肮庾訉W(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(lái)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(shuō)，硅光子學(xué)是一個(gè)材料平臺(tái)，可以使用絕緣體上硅（SOI）晶圓作為半導(dǎo)體襯底材料來(lái)制造光子集成電路（PIC）。這項(xiàng)技術(shù)變得比以往任何時(shí)候都更加流行和可行，這是有一個(gè)重要原因的。
最初，集成光子學(xué)開(kāi)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(duì)于電信和長(zhǎng)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(lái)創(chuàng)建集成CMOS電路，實(shí)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(diǎn)上使用的CMOS工藝來(lái)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(kāi)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(jì)生態(tài)系統(tǒng)來(lái)開(kāi)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)模化方面非常具有成本效益。
硅光計(jì)算芯片是AI芯片國(guó)產(chǎn)化和彎道超車的有效途徑
當(dāng)前，大模型訓(xùn)練和推理的硬件以通用圖形處理單元（GPU）為主，2022年全球GPU市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到448.3億美元，美國(guó)AI芯片巨頭英偉達(dá)公司占有80%的市場(chǎng)份額并仍在持續(xù)攀升。目前，中國(guó)仍以英偉達(dá)的產(chǎn)品作為主流算力平臺(tái)，只有較小規(guī)模的算力來(lái)自國(guó)產(chǎn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速平臺(tái)。英偉達(dá)向我國(guó)提供的AI芯片是傳輸帶寬受限的特別版本，使用該版本GPU組成的超算集群的訓(xùn)練和推理效率均落后于國(guó)外同期產(chǎn)品。因此，算力基建亟需向自主可控的國(guó)產(chǎn)化邁進(jìn)。
寒武紀(jì)、燧原科技、壁仞科技和昆侖芯等國(guó)產(chǎn)AI芯片廠商，均提供了深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練和推理的專用芯片，其主要使用專用集成電路（ASIC）硬件架構(gòu)，用于特定算法或應(yīng)用場(chǎng)景的優(yōu)化，計(jì)算能力在特定情況下優(yōu)于英偉達(dá)產(chǎn)品，但通用性、靈活性有待提升。基于電子計(jì)算的AI芯片的國(guó)產(chǎn)化之路受技術(shù)封鎖影響仍需突破重重阻礙，尤其是受限于先進(jìn)工藝制程，國(guó)產(chǎn)同類芯片在能耗、算力、帶寬等方面難以在短期內(nèi)趕超。此外，電子計(jì)算技術(shù)還存在固有的計(jì)算延時(shí)高和內(nèi)存墻等問(wèn)題。
光子器件具有高速、大帶寬和低功耗的特點(diǎn)，在信息傳輸和處理方面具有重要優(yōu)勢(shì)，而且光信號(hào)可以在光子器件中并行傳輸和處理。這使得光子計(jì)算可以更好地實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的高效處理，也可以避免電子信號(hào)傳輸帶來(lái)的噪聲和時(shí)延等問(wèn)題，更好地實(shí)現(xiàn)高帶寬的傳輸互連，從而為大模型提供關(guān)鍵支撐。此外，與最先進(jìn)的電子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及數(shù)字電子系統(tǒng)相比，光子計(jì)算架構(gòu)在速度和能效上優(yōu)勢(shì)突出。因此，光子計(jì)算能夠有效突破傳統(tǒng)電子器件的性能瓶頸，滿足高速、低功耗通信和計(jì)算的需求。需要指出的是，光子計(jì)算的發(fā)展目標(biāo)不是要取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，而是要輔助已有計(jì)算技術(shù)在基礎(chǔ)物理研究、非線性規(guī)劃、機(jī)器學(xué)習(xí)加速和智能信號(hào)處理等應(yīng)用場(chǎng)景更高效地實(shí)現(xiàn)低延遲、大帶寬和低能耗。
硅光計(jì)算芯片通過(guò)在單個(gè)芯片上集成多種光子器件實(shí)現(xiàn)了更高的集成度，還能兼容現(xiàn)有半導(dǎo)體制造工藝，降低成本。光子計(jì)算芯片包括激光器、光波導(dǎo)、光調(diào)制器、光探測(cè)器等主要元件，運(yùn)行過(guò)程大致如圖1所示：激光器產(chǎn)生的光，經(jīng)過(guò)光波導(dǎo)傳輸?shù)焦庹{(diào)制器實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的控制和處理，最后傳輸?shù)焦馓綔y(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再進(jìn)行后續(xù)的處理和輸出。
光子計(jì)算芯片利用成熟的硅基工藝平臺(tái)（產(chǎn)業(yè)界通常為45——180nm制程），有望在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)低功耗、高性能的計(jì)算系統(tǒng)，解決后摩爾時(shí)代AI硬件的性能需求，突破馮·諾依曼架構(gòu)的速度和功耗瓶頸。因此，硅光計(jì)算芯片是實(shí)現(xiàn)AI芯片國(guó)產(chǎn)化和彎道超車的有效途徑。
芯片巨頭紛紛布局
“硅光芯片并非取代傳統(tǒng)的集成電路技術(shù)，而是在后摩爾時(shí)代，幫助集成電路擴(kuò)充其技術(shù)功能。此外，由于硅光芯片是基于硅晶圓開(kāi)發(fā)出的光子集成芯片，因此硅光芯片所需的制造設(shè)備和技術(shù)與傳統(tǒng)集成電路基本一致，技術(shù)遷移成本較低，這也成為了硅光芯片得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)?！崩钪救A說(shuō)。
基于此，硅光芯片也有了更多的市場(chǎng)需求。國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(SEMI)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2030年全球硅光子學(xué)半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到78.6億美元，預(yù)計(jì)復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)到25.7%。
與此同時(shí)，硅光芯片也成為全球芯片巨頭競(jìng)爭(zhēng)的另一關(guān)鍵賽道。
臺(tái)積電此前在硅光芯片領(lǐng)域主推名為COUPE（緊湊型通用光子引擎）的封裝技術(shù)，其最大的特點(diǎn)是可以降低功耗、提升帶寬。有消息稱，臺(tái)積電計(jì)劃將該技術(shù)用于與英偉達(dá)的合作項(xiàng)目中，嘗試用該技術(shù)將多個(gè)英偉達(dá)GPU進(jìn)行組合。此外，若此次臺(tái)積電能如愿與博通、英偉達(dá)等大客戶共同開(kāi)發(fā)硅光芯片技術(shù)，也將會(huì)集合各方的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和資源，推動(dòng)硅光芯片的大規(guī)模量產(chǎn)。
另一芯片巨頭英特爾也致力于發(fā)展硅光芯片技術(shù)。例如，英特爾提出的光電共封裝解決方案使用了密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)，能夠在增加光子芯片帶寬的同時(shí)縮小尺寸。英特爾還提出可插拔式光電共封裝方案，該方案是利用光互連技術(shù)，讓芯片間的帶寬達(dá)到更高水平。同時(shí)，英特爾還在研發(fā)八波長(zhǎng)分布式反饋激光器陣列，以提升大型CMOS晶圓廠激光器制造能力，實(shí)現(xiàn)光互連芯粒技術(shù)。
國(guó)內(nèi)專業(yè)“光芯片”主要廠商
源杰科技：IDM全流程業(yè)務(wù)體系
源杰科技公司成立于2013年，是國(guó)內(nèi)少數(shù)幾家具備芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、芯片加工和測(cè)試的IDM全流程業(yè)務(wù)體系的光芯片公司。目前公司已完成了激光器芯片技術(shù)的開(kāi)發(fā)，并在面對(duì)下一代光通信方案中的硅光子集成技術(shù)方面取得重要進(jìn)展。公司主要產(chǎn)品包括2.5G、10G以及25G激光器芯片，廣泛應(yīng)用于光纖到戶、數(shù)據(jù)中心與云計(jì)算、5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等。
根據(jù)C&C統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2020年，在國(guó)內(nèi)磷化銦（InP）半導(dǎo)體激光器芯片產(chǎn)品對(duì)外銷售的廠商中，源杰科技收入排名第一，其10G和25G激光器芯片系列產(chǎn)品的出貨量在國(guó)內(nèi)同行業(yè)公司中均排名第一；其中，10G DFB產(chǎn)品在全球的出貨量同樣排名第一，約占20%，超過(guò)了住友電工和三菱電機(jī)；而25G DFB產(chǎn)品源杰科技已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了突破，在5G基站前傳和數(shù)通市場(chǎng)方面已經(jīng)開(kāi)始批量出貨。
目前，源杰科技已經(jīng)開(kāi)始大規(guī)模供應(yīng)主流光模塊廠商，并將產(chǎn)品提供給國(guó)內(nèi)外知名通信設(shè)備商，包括中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)電信和AT&T等運(yùn)營(yíng)商。源杰科技已成為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的光芯片供應(yīng)商。并且公司在25G以上高速光芯片、EML產(chǎn)品以及硅光、激光雷達(dá)等新技術(shù)/新領(lǐng)域布局超前，未來(lái)有望進(jìn)一步打開(kāi)市場(chǎng)空間。
中科光芯：全生產(chǎn)鏈自主生產(chǎn)
福建中科光芯成立于2011年，是目前國(guó)內(nèi)唯一一家能夠全生產(chǎn)鏈自主生產(chǎn)光芯片的公司。公司擁有外延生長(zhǎng)、芯片微納加工及器件封裝產(chǎn)業(yè)線，產(chǎn)品線包括外延片、芯片、TO器件、光器件和光模塊等，是一家能夠獨(dú)立設(shè)計(jì)并量產(chǎn)光芯片和器件的企業(yè)。
中科光芯產(chǎn)品主要包括FP、DFB、PIN、APD、SLED等類型的芯片和器件。這些產(chǎn)品已經(jīng)打破了國(guó)外的壟斷，廣泛應(yīng)用于高清視頻、數(shù)據(jù)通信、光纖通道、以太網(wǎng)FTTH、SDH/SONET、高速率光通信存儲(chǔ)、傳感與檢測(cè)以及其他光纖信息傳輸領(lǐng)域。
截至目前，中科光芯擁有130多項(xiàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)專利，其中包括42項(xiàng)發(fā)明專利，已成功推出了2.5G、10G、25G等速率的光芯片，并廣泛應(yīng)用于光通信和光電傳感領(lǐng)域。公司與華為、中興通訊等國(guó)內(nèi)一線通信廠商展開(kāi)合作，并累計(jì)向市場(chǎng)交付了2.5億顆光芯片。為了進(jìn)一步提升企業(yè)的研發(fā)能力，中科光芯于今年初在石獅啟動(dòng)了一項(xiàng)價(jià)值1億元的研發(fā)中心項(xiàng)目，重點(diǎn)致力于5G和數(shù)據(jù)通信前沿核心光電子領(lǐng)域的技術(shù)攻關(guān)。
武漢敏芯：首家獨(dú)立全系列光芯片
武漢敏芯半導(dǎo)體公司成立于2017年，是國(guó)內(nèi)光通信領(lǐng)域首家獨(dú)立的全系列光芯片供應(yīng)商。公司具備芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造工藝、封裝測(cè)試等全產(chǎn)業(yè)鏈能力，并將產(chǎn)品應(yīng)用于集成電路產(chǎn)業(yè)鏈、5G新一代信息技術(shù)和關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等重要領(lǐng)域。2018年10月，敏芯半導(dǎo)體成功投產(chǎn)并推出了首款2.5G激光器芯片。到2021年，短短的4年時(shí)間里，敏芯半導(dǎo)體迅速發(fā)展壯大，成為國(guó)內(nèi)光通信芯片領(lǐng)域的代表性企業(yè)之一。成功入圍了國(guó)家工信部發(fā)布的第二批建議支持的國(guó)家級(jí)專精特新“小巨人”企業(yè)名單。
目前，敏芯半導(dǎo)體可以量產(chǎn)2.5G、10G、25G和50G全系列激光器和探測(cè)器光芯片以及封裝類產(chǎn)品。近年來(lái)，敏芯公司持續(xù)投入技術(shù)開(kāi)發(fā)，其研發(fā)費(fèi)用占營(yíng)業(yè)收入比重超過(guò)30%。公司擁有高速DFB激光器外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、芯片光柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多項(xiàng)核心技術(shù)，并獲得了49項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，其中包括39項(xiàng)發(fā)明專利。
除了以上3家專業(yè)光芯片企業(yè)之外，在專業(yè)光芯片領(lǐng)域，光安倫、云嶺光電、仕佳光子等都有著不錯(cuò)表現(xiàn)。而綜合光芯片模塊也有光迅科技、海信寬帶、華為海思等。
