隨著摩爾定律逐漸變緩，硅光技術是延續(xù)摩爾定律的發(fā)展方向之一,。

當格芯推出硅光代工平臺，誓要成為領先硅光子代工廠,；長電科技預測硅光封裝成為未來趨勢之時,，這項早在上世紀提出的技術,，正悄悄改變著半導體行業(yè)。

云時代帶來的海量數(shù)據(jù),、逼近極限需要解決的節(jié)點間隙,，這些可以通過光子解決的問題，正一步一步推動著硅光子前行,。

硅光技術正在爆發(fā)前夜,。

硅光子已成為未來趨勢

早在上個世紀90年代，IT從業(yè)者就開始為傳統(tǒng)半導體產業(yè)尋找繼任者,，光子技術一度被認為是最有希望的技術,。

硅光是以硅光子學為基礎的低成本、高速的光通信技術,，利用基于硅材料的CMOS微電子工藝實現(xiàn)光子器件的集成制備,，融合了CMOS技術的超大規(guī)模邏輯、超高精度制造的特性以及光子技術超高速率,、超低功耗的優(yōu)勢,，把原本分離器件眾多的光、電元件縮小集成到一個獨立微芯片中,，實現(xiàn)高集成度,、低成本、高速光傳輸,。

硅光技術的發(fā)展可以分為三個階段,。第一，硅基器件逐步取代分立元器件,，即用硅把光通信底層器件做出來,，達到工藝的標準化；第二,，集成技術從耦合集成向單片集成演進,，實現(xiàn)部分集成，再把這些器件像樂高積木一樣,，通過不同器件的組合,，集成不同的芯片；第三,，光電一體技術融合,，實現(xiàn)光電全集成化。把光和電都集成起來,，實現(xiàn)更加復雜的功能,。

目前硅光技術已經發(fā)展到了第二個階段。

在制造工藝上,，光子芯片和電子芯片雖然在流程和復雜程度上相似,，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(fā)展的瓶頸問題,。

阿里巴巴達摩院發(fā)布的2022十大科技趨勢中，硅光芯片是其預測的趨勢之一,。隨著云計算與人工智能的大爆發(fā),，硅光芯片迎來技術快速迭代與產業(yè)鏈高速發(fā)展。達摩院預計未來三年,，硅光芯片將承載絕大部分大型數(shù)據(jù)中心內的高速信息傳輸,。

光網(wǎng)絡模塊市場預計2021年至2026年間的復合增長率為26％,，到2026年可能達到40億美元,。目前，硅光子技術主要用于通信領域,，后續(xù)將逐步擴展到人工智能 （AI）,、激光雷達和其他傳感器等新興應用中。

硅光代工,，臺積電棋差一著,？

關于硅光芯片制造技術，北京郵電大學教授李培剛表示：“硅光芯片制造技術與現(xiàn)有的半導體晶圓制造技術是相輔相成的,?！?/p>

按照代工的傳統(tǒng)經驗，由于激光器在各核心器件中失效率較高,，導致“光電合封”芯片的良率普遍不高,。硅光器件的良品率則有較大提升。

前不久,，格芯推出新一代硅光子平臺Fotonix,。作為一個單片平臺，F(xiàn)otonix實現(xiàn)了多項復雜工藝整合至單個芯片的功能,，把光子系統(tǒng),、射頻（RF）組件和高性能互補金屬氧化物半導體（CMOS）邏輯集成到單個硅片上。格芯將300毫米光子學特性和300Ghz（吉赫）級別的RF－CMOS工藝集成到硅片上的平臺,，可以提供一流的,、大規(guī)模的性能。

格芯宣布與光量子計算,、人工智能,、半導體等多領域內的公司合作，以此解決數(shù)據(jù)激增問題,，為數(shù)據(jù)中心提供創(chuàng)新解決方案,。在Fotonix平臺上與格芯合作的公司包括博通,、Marvell、思科,、英偉達,、Macom、AyarLabs,、Lightmatter,、PsiQuantum、Ranovus,、Xanadu,、Ansys、楷登電子和Synopsys,。

這些合作伙伴包括4家頂級光子收發(fā)器供應商中的3家,、5家頂級網(wǎng)絡公司中的4家、4家領先的EDA和仿真公司中的3家,。

英特爾是唯一一家沒有參與的涉及光子學的主要公司,。因為英特爾正在使用自己的內部平臺。這與前不久英特爾收購的高塔半導體不無關系,。

對高塔半導體的收購填補了英特爾在領先 FinFET 之外的工藝節(jié)點的代工產品中急需的空白,。并且，在今年1月份 ,，高塔半導體聯(lián)合網(wǎng)絡通訊設備公司瞻博網(wǎng)絡（Juniper Networks）推出硅光子代工工藝,，該工藝集成了III－V族激光器、放大器調制器和探測器,。硅光子技術主要是利用現(xiàn)有CMOS 集成電路類似的技術來設計和制造光器件和光電集成電路,。

該平臺可將III－V族激光器、半導體光放大器（SOA）,、電吸收調制器（EAM）和光電探測器與硅光子器件共同集成在一顆單芯片上,，構成尺寸更小、具有更多通道數(shù)且更節(jié)能的光學架構和解決方案,。

瞻博網(wǎng)絡首席執(zhí)行官Rami Rahim表示：“我們與高塔半導體的共同開發(fā)工作非常成功,，在大批量生產設施中驗證了這種創(chuàng)新硅光電子技術。通過向整個行業(yè)提供這種能力,，瞻博提供了從根本上降低光學成本的潛力,，同時降低了客戶的進入壁壘?！?/p>

盡管臺積電推出了用于硅光子芯片的先進封裝技術——COUPE（compactuniversal photonic engine,，緊湊型通用光子引擎）異構集成技術，但相比起將自己定位為全球領先的硅光子代工廠的格芯和擁有自己硅光代工平臺的英特爾，臺積電的布局仍稍顯落后,。

中國硅光子芯片的研究

工信部發(fā)布的《中國光電子器件產業(yè)技術發(fā)展路線圖（2018—2022年）》指出,，目前高速率光芯片國產化率僅3％左右，要求2022年中低端光電子芯片的國產化率超過60％,，高端光電子芯片國產化率突破20％,。

國家層面，支持硅光技術的利好政策紛至沓來,，各地政府也紛紛入局,。上海市明確提出發(fā)展光子芯片與器件，重點突破硅光子,、光通訊器件,、光子芯片等新一代光子器件的研發(fā)與應用，對光子器件模塊化技術,、基于CMOS的硅光子工藝,、芯片集成化技術、光電集成模塊封裝技術等方面的研究開展重點攻關,。湖北省,、重慶市、蘇州市等政府都把硅光芯片作為“十四五”期間的重點發(fā)展產業(yè),。

此后，武漢建立國家信息光電子創(chuàng)新中心,、上海將硅光列入首批市級重大專項,、重慶打造國家級國際化新型研發(fā)機構聯(lián)合微電子中心有限責任公司。

在政策的扶持下,，國內也研制出硅光芯片,。2021年12月，國家信息光電子創(chuàng)新中心,、鵬城實驗室在國內率先完成了1．6Tb／s硅基光收發(fā)芯片的聯(lián)合研制和功能驗證,，實現(xiàn)了我國硅光芯片技術向Tb／s級的首次跨越。

研究人員分別在單顆硅基光發(fā)射芯片和硅基光接收芯片上集成了8個通道高速電光調制器和高速光電探測器,，每個通道可實現(xiàn)200Gb／s PAM4高速信號的光電和電光轉換,，最終經過芯片封裝和系統(tǒng)傳輸測試，完成了單片容量高達8×200Gb／s光互連技術驗證,。

我國十分重視硅光芯片產業(yè)的發(fā)展,，但目前國內的高端硅光芯片以設計為主，流片主要還是在國外,。芯片制備的周期長,、成本高，種種因素制約了我國硅光子技術的發(fā)展。

哪類企業(yè)會提前布局硅光,？

目前,，硅光子商業(yè)化較為成熟的領域主要在于數(shù)據(jù)中心、高性能數(shù)據(jù)交換,、長距離互聯(lián),、5G基礎設施等光連接領域，800G及以后硅光模塊性價比較為突出,，產業(yè)鏈進展看,，海外巨頭Intel、思科等通過自研或收購發(fā)展較為領先,；國內上市公司光迅科技,、新易盛、天孚通信,、中際旭創(chuàng),、博創(chuàng)科技等從分立光模塊市場紛紛切入硅光領域。

一是設計企業(yè)

目前來看,，硅光領域的主要玩家仍是半導體設計企業(yè),。

英特爾研究硅光技術20多年，2016年將硅光子產品100GPSM4投入商用100GPSM4和100GCWDM4硅光模塊已累計出貨超400萬只,，200GFR4及400GDR4正在研發(fā),。

思科于2012年、2019年收購Lightwire,、Luxtera（硅光市占率35％）及Acacia公司,，布局硅光領域。

Luxtera曾研發(fā)世界第一款CMOS光子器件,，為最早推出商用級硅光集成產品的廠商之一,，2015年發(fā)布100GPSM4硅光子芯片；Acacia400G硅光模塊方案主要是將分離光器件集成為硅光芯片的基礎上再與自研DSP電芯片互聯(lián),，最終外接激光器進行封裝,，已于2020年開始送樣給客戶。

阿里云與Elenion合作推出自研硅光模塊2019年9月宣布推出基于硅光技術的400GDR4光模塊,。華為收購英國光子集成公司CIP和比利時硅光子公司Caliopa小型高容量硅光芯片,。

二是封裝企業(yè)

隨著芯片制程的逐步縮小，摩爾定律正在遇到天花板,，其中芯片互連是目前的技術瓶頸之一,。

硅光子封裝內集成可以改善延遲、提高帶寬,，同時可以顯著降低對功率的需求,，使TBps數(shù)量級的數(shù)據(jù)傳輸成為可能。

目前硅光子封裝類技術已經出現(xiàn)廠商開始嘗試使用，如英特爾在高速光纖收發(fā)模組上采用硅光子封裝集成,。在國內封測巨頭長電科技的布局中,，其副總裁陳靈芝曾預測未來封裝技術可能方向是硅光子封裝方向。目前,，長電科技已經關注硅光封裝技術,。

隨著摩爾定律腳步的放緩，探索新的技術已經成為目前半導體領域的關鍵任務,。將光子和集成電路的電子結合在一起,，甚至是用光子替代電子形成“片上光互聯(lián)”，以實現(xiàn)對現(xiàn)有光模塊產業(yè)鏈的重塑,，正成為半導體行業(yè)數(shù)個“顛覆式創(chuàng)新”中的重要方向之一,。

當眾多廠商開始押注硅光子技術時，硅光子技術的爆發(fā)也許就在明天,。