隨著臺積電2nm計劃逐漸明朗,，這場關(guān)于先進制程的多方混戰(zhàn)似乎提前宣告結(jié)束,，但這家半導(dǎo)體巨頭的野心似乎遠不止于此——在先進封裝領(lǐng)域，臺積電也是動作頻頻,。

　　近日,，據(jù)臺媒《電子時代》報道，臺積電深度參與了一項由英偉達牽頭的研發(fā)項目,，該項目將使用臺積電COUPE（緊湊型通用光子引擎）封裝技術(shù),，將多個AI GPU組合成一塊GPU。

　　單看項目本身,，這似乎與年初爆火的Chiplet概念大同小異,，但整篇報道卻指向了另一項技術(shù)——硅光子（SiPH）。

　　此外文章還提到,，英偉達和臺積電的研發(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。

　　為何兩家半導(dǎo)體巨頭同時看好硅光子賽道,？這項新技術(shù)又會給封裝領(lǐng)域帶來哪些改變,？

　　臺積電全新封裝技術(shù)，助力英偉達

　　對于臺積電強悍的芯片制造能力,，大多數(shù)人都有所耳聞,。事實上，臺積電在封裝領(lǐng)域的布局也毫不遜色,。

　　自2012年起,，身為晶圓代工龍頭企業(yè)的臺積電開始在封裝領(lǐng)域布局，其下CoWoS技術(shù)(2.5D)及其后續(xù)衍生版本被應(yīng)用于英偉達Pascal,、Volta系列,，AMD Vega以及英特爾Spring Crest等芯片產(chǎn)品。此外,，臺積電推出的InFO(2D/2.5D),、SoIC(3D)等封裝技術(shù)，同樣吸引來大量客戶,。

　　為了讓客戶可以根據(jù)需求選擇合適的封裝技術(shù),，臺積電在2020年第26屆技術(shù)研討會上正式將上述封裝技術(shù)整合為“TSMC-3DFabric”平臺。在當時,，該平臺就已經(jīng)引入了Chiplet等新概念，為后續(xù)新技術(shù)的推出奠定了基礎(chǔ),。

　　2021年9月,，臺積電在“3DFabric”的基礎(chǔ)上推出了本次合作的“主角”——COUPE（compact universal photonic engine）異構(gòu)集成技術(shù),。

　　簡單來說，該技術(shù)是將光學(xué)引擎和多種計算/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)最大的特點就是降低功耗、提升帶寬,。

　　對于GPU而言,，算力提升背后的代價是功耗的增加。以今年英偉達推出的H100為例,，一塊PCIe 5.0版本顯卡功耗達到了史無前例的700W,，相比A100多了整整300W。如果想搭建一套完整的超算體系,，那么整個計算中心的功耗控制更是難以想象,。

　　在這樣的背景下，既然COUPE封裝技術(shù)可以有效降低GPU功耗,，那么英偉達沒有理由不去嘗試這項新技術(shù),。

　　硅光技術(shù)，摩爾定律的新解藥,？

　　事實上,，硅光技術(shù)并不是什么新鮮事物，國外早在上個世紀80年代就開始有關(guān)硅光技術(shù)的研究,，硅光產(chǎn)品也已經(jīng)被多家廠商生產(chǎn)出來并得到應(yīng)用,。例如英特爾、格芯,，以及英特爾收購的以色列晶圓廠高塔,，他們都推出過自己的硅光工藝平臺。

　　但從整體市場來看,，硅光產(chǎn)品一直處在不溫不火的狀態(tài),，這讓很多人誤以為“硅光芯片”是近些年才出現(xiàn)的新鮮事物。

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

　　其次，硅光芯片在各個環(huán)節(jié)都缺少標準化方案,。例如設(shè)計環(huán)節(jié),，硅光產(chǎn)品仍需要專用EDA工具（硅光設(shè)計工具PDA）進行設(shè)計；而在制造與封裝環(huán)節(jié),，類似臺積電,、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)。即便是已經(jīng)推出COUPE技術(shù)的臺積電,，短時間內(nèi)會專注于封裝方案,，很難勻出產(chǎn)能提供給硅光芯片。

　　最后,，從不同廠商的思路來看,，它們對于硅光產(chǎn)品的理解也各不相同。

　　以英偉達為例,，今年3月份的OFC 2022光纖通信會議上,，英偉達首席科學(xué)家Bill Dally展示了一套硅光技術(shù)連接GPU系統(tǒng)的模型。

　　在這套模型中,，英偉達選擇用DWDM單模光纖替代有限電纜,，構(gòu)建了連接GPU的交換機。在新模型下,，雖然外部激光源占用了大量空間,，但由于光的特性，因此設(shè)備之間的連接線纜可以更長,，最終讓整套模型的體積大大降低,。

　　從產(chǎn)品思路來看，英偉達將激光信號設(shè)在了產(chǎn)品外部,，而不是像其他廠商一樣將激光器嵌入芯片內(nèi)部,。這一設(shè)計想法與硅光子初創(chuàng)公司Ayar Labs十分相似——他們在早期設(shè)計產(chǎn)品時決定將光源本身與光子芯片分開。此前,，在接受外媒采訪時,，Ayar Labs總裁兼首席技術(shù)官Mark Wade曾指出：“激光器的物理學(xué)與CMOS微電子的物理學(xué)是相互脫節(jié)的；它們不喜歡在高溫下工作,，會迅速失去能效,，其可靠性也會成指數(shù)級下降。”

　　圖 | Ayar Labs的光學(xué)I/O芯片最終封裝模塊

　　今年6月,，該公司正式宣布與英偉達合作開發(fā)具有光學(xué)I/O的下一代AI運算基礎(chǔ)架構(gòu),，并且在年初，英偉達還參與到Ayar Labs的融資中,。

　　從兩家公司的描述來看，此次英偉達與臺積電的封裝技術(shù)合作,，有極大可能與這項新的AI架構(gòu)相關(guān),。

　　當然，英偉達的產(chǎn)品思路并不代表硅光芯片的最終形態(tài),，其他老牌廠商同樣有各自的產(chǎn)品思路,。

　　例如格芯，在今年3月宣布與博通,、思科,、Marvell等廠商合作推出新一代硅光平臺GF Fotonix，在12英寸的晶圓上,，實現(xiàn)光子元件,、射頻和高性能CMOS的單芯片集成，單根光纖提供高達每秒半太比特 (Tb/s) 的數(shù)據(jù)速率,，這是所有代工廠產(chǎn)品中最快的數(shù)據(jù)速率,。

　　而作為硅光賽道的老大哥，英特爾的產(chǎn)品不僅種類最多,，同時也是少數(shù)擁有IDM能力的半導(dǎo)體企業(yè),。同樣是OFC 2022上，英特爾展示了800Gbps的硅光發(fā)送器,、協(xié)同封裝光子（co-packaged optics,，CPO）技術(shù)以及與英偉達不同設(shè)計的光學(xué)I/O。

　　圖 | 硅光產(chǎn)業(yè)鏈

　　在國內(nèi),，同樣有多家企業(yè)瞄準硅光賽道,，例如華為、長瑞光電等老牌企業(yè),，也有曦智科技這樣的初創(chuàng)企業(yè),。

　　可以說，硅光賽道正進入一個“百花齊放”的階段,。

　　結(jié)語

　　去年年底,，硅光芯片成功入圍阿里巴巴達摩院2022十大科技趨勢榜單中。達摩院對此的評價是：“兼具光子和電子優(yōu)勢,，突破摩爾定律限制,；預(yù)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(nèi)的高速信息傳輸?！?/p>

　　在先進制程不斷接近摩爾定律限制的背景下,，硅光芯片能再次吸引來市場的目光，主要得益于本身出色的特性,。而臺積電COUPE封裝技術(shù)的入局,，更是讓硅光芯片大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化變成了可能。

　　對于臺積電自身來說,，入局硅光賽道,，一方面是先進工藝制造面臨越來越多的挑戰(zhàn)，因此需要從先進封裝入手,，尋求突破摩爾定律的解藥,。恰巧硅光技術(shù)是目前能突破限制的手段之一，因此兩家半導(dǎo)體巨頭的合作顯得水到渠成,；

　　另一方面,，市場對先進工藝的需求有所減緩，而自動駕駛,，物聯(lián)網(wǎng),，AI等新興領(lǐng)域正在崛起，此次臺積電便希望借助COUPE封裝技術(shù),，來搶占數(shù)據(jù)中心芯片的市場先機,。

　　但總體來看，在整體需求偏弱的情況下,，硅光賽道仍要需要新的故事帶動整個市場,。

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