硅光子技術(shù)是基于硅材料,利用現(xiàn)有CMOS工藝進(jìn)行光器件開發(fā)與集成的新一代通信技術(shù)。
硅光子技術(shù)的核心理念是“以光代電”,,將光學(xué)器件與電子元件整合到一個(gè)獨(dú)立的微芯片中,,利用激光作為信息傳導(dǎo)介質(zhì),,提升芯片間的連接速度,。
隨著流量的持續(xù)爆發(fā),芯片層面的“光進(jìn)銅退”將是大勢所趨,,硅光子技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)規(guī)模商用化,。
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定義:初識硅光子技術(shù)
硅光子技術(shù),是讓光子作為信息載體,,實(shí)現(xiàn)信號傳輸?shù)陌踩院涂煽啃?,是一?xiàng)面向未來的顛覆性、戰(zhàn)略性和前瞻性技術(shù),。
集成電路的發(fā)展沿著摩爾定律已趨于極限,,硅光子技術(shù)是超越摩爾研究領(lǐng)域的發(fā)展方向之一。
通過硅光集成,,用光代替原來的電進(jìn)行傳輸,,成本有可能降低到原來的十分之一甚至更低。
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需求:當(dāng)下傳統(tǒng)芯片到達(dá)天花板
隨著物聯(lián)網(wǎng),、大數(shù)據(jù)等應(yīng)用的快速發(fā)展,,全球數(shù)據(jù)流量呈快速增長態(tài)勢,對傳輸?shù)男枨笠仓饾u提升,。
目前,,傳統(tǒng)光模塊主要利用III-V族半導(dǎo)體芯片、電路芯片,、光學(xué)組件等器件封裝而成,,本質(zhì)上屬于“電互聯(lián)”范疇。隨著晶體管加工尺寸逐漸縮小,,電互聯(lián)將逐漸面臨傳輸瓶頸,。
目前,對于傳統(tǒng)的三五族半導(dǎo)體光芯片,,25Gbps已接近傳輸速率的瓶頸,,進(jìn)一步提升速率需要采用PAM4等技術(shù)。
隨著高速光模塊在數(shù)據(jù)中心的大量運(yùn)用,,傳統(tǒng)III-V族半導(dǎo)體的光芯片將面臨并行傳輸,、三五族磊晶成本高昂等問題,。
在此背景下,硅光子技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,,成為III-V族半導(dǎo)體之外的一大選擇,。
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技術(shù):超高精度+速度+市場的硅光子
硅光子是一種令人振奮的技術(shù),是基于硅和硅基襯底材料(如 SiGe/Si,、SOI 等),,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),結(jié)合了集成電路技術(shù)的超大規(guī)模,、超高精度制造的特性和光子技術(shù)超高速率、超低功耗的優(yōu)勢,,是應(yīng)對摩爾定律失效的顛覆性技術(shù),。這種組合得力于半導(dǎo)體晶圓制造的可擴(kuò)展性,因而能夠降低成本,。
硅光子架構(gòu)主要由硅基激光器,、硅基光電集成芯片、主動(dòng)光學(xué)組件和光纖封裝完成,,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,。
硅光子(SiP)實(shí)現(xiàn)廉價(jià)且規(guī)模生產(chǎn)的光連接,從根本上改變光器件和模塊行業(yè),。
未來三五年內(nèi),,這種情況還不會(huì)發(fā)生,但硅光子技術(shù)可能在下個(gè)十年證明它是破壞性,。
基于硅光子的光連接與電子ASIC,、光開關(guān),或者(可能)新的量子計(jì)算設(shè)備的集成,,將打開一個(gè)廣闊的創(chuàng)新前沿,。
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發(fā)展:硅光子芯片將呈現(xiàn)爆炸式成長
光子芯片主要是將無數(shù)個(gè)光學(xué)系統(tǒng)整合在芯片上,就如同現(xiàn)今的半導(dǎo)體芯片,,但將利用超微透鏡取代電晶體并以光子來進(jìn)行運(yùn)算,。光子芯片與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體芯片相比,具有更高的運(yùn)算效率以及訊息傳輸量,,也兼具耗能低,、運(yùn)行過程中產(chǎn)生較少的熱,所以無須復(fù)雜的散熱設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn),,因此被認(rèn)為在未來可延續(xù)摩爾定律,,傳承舊有硅芯片的發(fā)展,。
在眾多光子技術(shù)中,硅光子及其相關(guān)技術(shù)憑借其使用成本較低的硅與硅基襯底材料,,并結(jié)合既有且技術(shù)成熟的CMOS技術(shù),,使其極其受到青睞,自2015年IBM公司研制硅光學(xué)芯片后,,使該技術(shù)呈現(xiàn)爆發(fā)式的成長,,并使該技術(shù)自實(shí)驗(yàn)室走入市場,吸引微軟,、亞馬遜及Facebook等公司的青睞,,因?yàn)檫@些公司的數(shù)據(jù)中心常在云端資料連結(jié)并處理巨量的資料時(shí),受限于傳統(tǒng)的銅線以及低速光纖的傳輸量,,造成運(yùn)行效率低落,。
預(yù)計(jì)到2022年,硅光子光收發(fā)器市場將超20億美元,,在全球光收發(fā)器市場中占比超20%,。從出貨量來看,到2022年,,硅光子光收發(fā)器在總光收發(fā)器出貨量中的占比將不到2.5%,。這些產(chǎn)品中的大多數(shù)將是高端產(chǎn)品--100G或以上速率,因此定價(jià)也相對較高,。
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競爭:世界硅光子產(chǎn)業(yè)正蓄勢待發(fā)
由于這一技術(shù)未來將在數(shù)據(jù)通信,、生化醫(yī)療、自動(dòng)駕駛,、國防安全等大顯身手,,硅光子技術(shù)正成為資本市場的寵兒,歐美一批傳統(tǒng)集成電路和光電巨頭通過并購,,正迅速進(jìn)入硅光子領(lǐng)域搶占高地,,以傳統(tǒng)半導(dǎo)體強(qiáng)國為主導(dǎo)的全球硅光子產(chǎn)業(yè)格局悄然成形。
光芯片無需改變二進(jìn)制計(jì)算機(jī)的軟件原理,,但可以輕易實(shí)現(xiàn)極高的運(yùn)算頻率,,同時(shí)能耗非常低,不需要復(fù)雜的散熱裝置,。但因技術(shù)上的原因,,直到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)率先重點(diǎn)發(fā)展硅芯片光學(xué)信號傳輸技術(shù),,期望能用光通路取代芯片之間的數(shù)據(jù)電路,。
在投入廠商方面,除Intel,、IBM,、思科等,,因硅光子技術(shù)涵蓋半導(dǎo)體技術(shù)與光學(xué)技術(shù),加上此技術(shù)帶來大量數(shù)據(jù)或訊息交換的應(yīng)用,,將會(huì)改變傳統(tǒng)通訊產(chǎn)業(yè)運(yùn)作模式,,Mellanox 、Luxtera等光通信公司及設(shè)備商華為等公司皆投入相關(guān)研究,。
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國內(nèi):曲折發(fā)展一路向前
2015年4月9日,,美國商務(wù)部發(fā)布報(bào)告,決定拒絕英特爾向中國的國家超級計(jì)算廣州中心出售至采用硅光子技術(shù)“至強(qiáng)”(XEON)芯片用于天河二號系統(tǒng)升級的申請,;
對于突然實(shí)行至強(qiáng)芯片禁運(yùn)的原因,,美國方面給出的解釋是這4家中國超算中心從事“違反”美國國家安全或外交政策利益的活動(dòng);
隨即2016年3月7日,,中興通訊首度遭受美國商務(wù)部制裁,,不僅不允許其在美國國內(nèi)采購芯片,并要求供應(yīng)商全面停止對中興的技術(shù)支持,,制裁條款整整實(shí)行的1年,;在當(dāng)時(shí),,美國著名硅光子公司ACACIA每年25%硅光子模塊的產(chǎn)量都是銷往中興通訊,。
2017年,上海市政府將硅光子列入首批市級重大專項(xiàng),,投入大量經(jīng)費(fèi),,布局硅基光互連芯片研發(fā)和生產(chǎn),目的打造硅光子芯片全產(chǎn)業(yè)鏈,,掌握關(guān)鍵核心技術(shù),,讓國內(nèi)企業(yè)擺脫對國外光芯片供應(yīng)商的依賴。
年底工信部發(fā)布的《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖(2018-2022年)》中指出,,目前高速率光芯片國產(chǎn)化率僅3%左右,,要求在2022年中低端光電子芯片的國產(chǎn)化率超過60%,高端光電子芯片國產(chǎn)化率突破 20%,。
到了2018年1月,,國內(nèi)第一個(gè)硅光子工藝平臺在上海成立,可以提供綜合集成技術(shù)的流片服務(wù),,流片器件及系統(tǒng)性能指標(biāo)與國際最優(yōu)水平相當(dāng),,流片速度相比國外的流片代工線,速度快了一倍,,只需3個(gè)月,。
隨著流量的持續(xù)爆發(fā),芯片層面的“光進(jìn)銅退”將是大勢所趨,,硅光子技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)規(guī)模商用化,。