作者：邵樂峰

本文由EET電子工程專輯原創(chuàng)

盡管日前思科以26億美元收購(gòu)硅光子公司Acacia一案再生變數(shù),，且雙方爭(zhēng)執(zhí)的理由居然是“是否在合并協(xié)議規(guī)定的期限內(nèi)獲得中國(guó)國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局(SAMR)的批準(zhǔn)”,，但不可否認(rèn)的是,，隨著摩爾定律腳步的放緩，將光子和集成電路中的電子結(jié)合在一起,，甚至是用光子替代電子形成“片上光互聯(lián)”,，以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有光模塊產(chǎn)業(yè)鏈的重塑，正成為半導(dǎo)體行業(yè)數(shù)個(gè)“顛覆式創(chuàng)新”中的重要方向之一,。

要回答這個(gè)問題,，就要先從光子集成電路技術(shù)(PIC，Photonic Integrated Circuit)談起,。與我們熟知的基于硅材料的集成電路技術(shù)類似,，PIC技術(shù)的核心，也是希望通過(guò)將很多的光學(xué)元器件集成在一個(gè)PIC單片之中,，使得系統(tǒng)尺寸,、功耗和可靠性得到大幅度提高，并同時(shí)降低系統(tǒng)成本,。

但目前PIC所采用的基底材料主要是磷化銦(InP),、砷化鎵(GaAs)、鈮酸鋰(LiNbO3)等,，昂貴的價(jià)格嚴(yán)重制約了它們的商業(yè)化進(jìn)程,。考慮到光信號(hào)在被氧化硅包裹的硅中傳播時(shí)幾乎不會(huì)發(fā)生衰減,，而且硅材料本身價(jià)格低廉且在半導(dǎo)體工藝中已實(shí)現(xiàn)成熟應(yīng)用,，于是半導(dǎo)體巨頭紛紛把目光轉(zhuǎn)向硅光子，探討光子和電子結(jié)合的可能性,，硅光子(Silicon Photonics)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

所謂的硅光子技術(shù),，就是在硅基上同時(shí)制造出電子器件和光子器件,，將電子器件(Si-Ge量子器件、HBT,、CMOS,、射頻器件、隧道二極管等),、光子器件(激光器,、探測(cè)器、光開關(guān),、光調(diào)制器等),、光波導(dǎo)回路集成在同一硅片或SoC上。其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在相干調(diào)制以及合分波器件的高度集成化,，加上完善的溫控設(shè)計(jì),，可以大幅解決相干產(chǎn)品的缺陷和成本,，進(jìn)而下沉到核心與匯聚層。

這樣,，當(dāng)面對(duì)400G+網(wǎng)絡(luò)速率傳輸時(shí),，光學(xué)連接便可以開始進(jìn)入新的階段，可插拔光學(xué)收發(fā)器將有望被取代,。在新技術(shù)中,，光子鏈路連接到同一封裝中的高性能IC，同時(shí)借助外部激光器提供光源,。該封裝通過(guò)光纖連接到另一個(gè)采用光子鏈路的模塊,，從而形成封裝到封裝高速互連，同時(shí)大幅降低功耗,。

但很顯然,，將電子接口、數(shù)字電路和高速模擬混合信號(hào)電路與光學(xué)元件組合在同一硅片上,，并不是一件容易的事情,。用格芯(GLOBALFOUNDRIES)硅光產(chǎn)品線副總裁Anthony Yu的話來(lái)說(shuō)，就是“將其全部集成到硅中,，然后便可充分利用硅制造技術(shù)的規(guī)模,、成本和工藝控制優(yōu)勢(shì)，這樣的道理誰(shuí)都明白,，但在同一芯片上集成光子和RF CMOS電路是需要講求精妙平衡的,。”

根據(jù)Yole的預(yù)測(cè),，硅光光模塊市場(chǎng)將從2018年的約4.55億美元(相當(dāng)于130萬(wàn)個(gè))增長(zhǎng)到2024年的約40億美元(相當(dāng)于2350萬(wàn)個(gè))，復(fù)合年增長(zhǎng)率達(dá)44.5%,。而LightCouting的數(shù)據(jù)顯示,，2022年，硅光子技術(shù)將在每秒峰值速度,、能耗,、成本方面全面超越傳統(tǒng)光模塊預(yù)測(cè)。而到2024年,，硅光光模塊市場(chǎng)市值將達(dá)65億美金,，占比高達(dá)60%，而在2020年,，這一數(shù)字僅為3.3%,。

2017-2023年全球光模塊市場(chǎng)規(guī)模及結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)(資料來(lái)源：Lightcounting)

盡管目前壟斷高速數(shù)據(jù)傳輸市場(chǎng)的核心器件仍然是傳統(tǒng)光模塊。但得益于硅光子具有的高速數(shù)據(jù)傳輸,、高帶寬以及低功耗等前景優(yōu)勢(shì),，當(dāng)今的高性能計(jì)算,、電信、軍事,、國(guó)防,、航空航天、醫(yī)療和研究應(yīng)用對(duì)其青睞有加,，2021年有望成為硅光模塊加速出貨的第一年,，市場(chǎng)正式啟動(dòng)。

2020-2025年硅光核心應(yīng)用市場(chǎng)(圖片來(lái)源：格芯)

高性能計(jì)算

由于受到RC(電阻電容)延遲經(jīng)典物理效應(yīng)的限制,，高性能計(jì)算行業(yè)正在迅速接近電氣I/O性能的實(shí)際極限,。隨著計(jì)算帶寬需求不斷增長(zhǎng)，電氣I/O的規(guī)模無(wú)法保持同步增長(zhǎng),，從而形成了“I/O功耗墻”,，限制了計(jì)算運(yùn)行的可用能源。因此,，硅光技術(shù)在片上互連,、片間互連應(yīng)用中Pb/s量級(jí)的傳輸速率，被業(yè)界視作是“推動(dòng)計(jì)算機(jī)光互連甚至是光計(jì)算的革命”,。

打一個(gè)更形象的比喻,，由于硅光的傳輸距離和數(shù)據(jù)傳輸速率是銅纜的6500倍和8倍以上，因此在400Gbps的傳輸速率下,，硅光可支持長(zhǎng)達(dá)32,808英尺(約10公里)的傳輸距離,，超過(guò)了珠穆朗瑪峰的高度。

“現(xiàn)在是從電氣I/O遷移到光互連I/O的重要拐點(diǎn)”,，英特爾首席工程師,、英特爾研究院PHY研究實(shí)驗(yàn)室主任James Jaussi表示，之所以現(xiàn)在需要遷移到光互連I/O,，主要有兩個(gè)原因,，一個(gè)是業(yè)界正在快速接近電氣性能的物理極限，一個(gè)是I/O功耗墻,，會(huì)導(dǎo)致無(wú)法計(jì)算。

5G核心骨干網(wǎng)

5G時(shí)代,，網(wǎng)絡(luò)端口接口速率全面提升,，例如接入層接口速率已經(jīng)從6G/10G提升至25G;匯聚層接口速率從25G/50G提升至50G/100G;核心層接口速率從100G/200G提升至200G/400G，逐步引入硅光子技術(shù),，對(duì)確保實(shí)現(xiàn)高速度大容量的數(shù)據(jù)傳輸至關(guān)重要,。

超大型數(shù)據(jù)中心

根據(jù)Equnix預(yù)測(cè)，2017年-2021年全球互聯(lián)網(wǎng)帶寬容量以48%的年復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng),，2020年將正式進(jìn)入400G時(shí)代,，并有望于2022年進(jìn)入800G時(shí)代,。格芯方面提供的數(shù)據(jù)顯示，到2024年,，由于CAGR高達(dá)44.5%,，硅光收發(fā)器(包括基于III-V化合物半導(dǎo)體和硅光的模組)將占40億美元市場(chǎng)的大部分，硅光子技術(shù)對(duì)于提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的密度和能效具有至關(guān)重要的作用,。

另一方面,，高昂的成本也迫使產(chǎn)業(yè)界通過(guò)技術(shù)升級(jí)降低光模塊的單價(jià)。以一個(gè)擁有超過(guò)10萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器和5萬(wàn)多個(gè)交換機(jī)的數(shù)據(jù)中心為例,，它們之間的連接需要超100萬(wàn)個(gè)光模塊,，花費(fèi)在1.5億美元至2.5億美元之間，占據(jù)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)成本的60%,，超過(guò)交換機(jī),、NIC和電纜等設(shè)備的總和。而硅光模塊雖然當(dāng)前工藝難度大,，封裝成本較高(約在1.5-2美元/GB),，但其成本理論上有望降至0.3美元/GB，在規(guī)模量產(chǎn)情況下更具成本優(yōu)勢(shì),。

硅光光模塊與傳統(tǒng)光模塊產(chǎn)業(yè)鏈的主要區(qū)別在于光芯片部分,，是高度集成的單芯片，而不是傳統(tǒng)的分離多器件的組合,，其余產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)是相同的,。其中，Intel走的是一體化IDM模式;代工廠如格芯,、TSMC(臺(tái)積電),、Silex、APM和VTT,，都在積極研發(fā)硅光子規(guī)模制造工藝;Luxtera,、Sicoya、Rockley,、Inphi,、Acacia在硅基光電集成收發(fā)芯片的設(shè)計(jì)方面走的較為靠前。

近十年硅光產(chǎn)業(yè)主要收購(gòu)情況(數(shù)據(jù)來(lái)源：賽迪智庫(kù)集成電路研究所,，2020年3月)

Anthony Yu最近分享了一些關(guān)于格芯硅光業(yè)務(wù)的最新情況,。他表示，格芯一直都在用其90nm平臺(tái)來(lái)滿足數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)的需求,，但未來(lái)的目標(biāo)將是以TB/s級(jí)速率實(shí)現(xiàn)芯片到芯片互連,，而“0.5Tbps/光纖這一行業(yè)最高單位光纖數(shù)據(jù)傳輸速率”和300mm晶圓量產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，將是幫助格芯在硅光子市場(chǎng)“摧城拔寨”的兩把利器。

作為業(yè)內(nèi)為數(shù)不多的可提供硅光解決方案的晶圓廠,，格芯開始涉足硅光業(yè)務(wù)的時(shí)間最早要追溯到2015年對(duì)IBM微電子業(yè)務(wù)的收購(gòu),。之后，從2018年宣布基于90nm RF SOI工藝構(gòu)建硅光平臺(tái)90WG,，到即將于2021年下半年完成生產(chǎn)工藝認(rèn)證的45SPCLO單芯片技術(shù),，并通過(guò)與Ayar Labs和MACOM等公司富有成效的合作，格芯已悄然成為硅光領(lǐng)域一股不可忽視的力量,。

除了高速數(shù)據(jù)傳輸外,，硅光子技術(shù)在AI計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用同樣引人注目。在2020年舉行的Hot Chips 32大會(huì)上,，初創(chuàng)公司Lightmatter就展示了用于通用人工智能加速的光子計(jì)算測(cè)試芯片,。該芯片面積為150平方毫米，包含超過(guò)十億個(gè)FinFET晶體管,、數(shù)萬(wàn)個(gè)光子算數(shù)單元和數(shù)百個(gè)記錄設(shè)置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器,。其中，數(shù)字電路部分采用格芯12nm Leading-Performance FinFET工藝制造,，運(yùn)用Arm 3D網(wǎng)狀互連技術(shù),，核心間數(shù)據(jù)通路更為直接，可降低延遲;光子芯片使用格芯90nm標(biāo)準(zhǔn)硅光子工藝實(shí)現(xiàn),，可以實(shí)現(xiàn)8TOPS的峰值算力,，整體芯片組的功耗為3W，能效比相比傳統(tǒng)基于CMOS工藝的數(shù)字芯片來(lái)說(shuō)毫不遜色,，展示了光計(jì)算未來(lái)的巨大潛力,。

Lightmatter用于通用人工智能加速的光子計(jì)算測(cè)試芯片

再來(lái)看一下另一重量級(jí)玩家英特爾的最新進(jìn)展。從2016年英特爾將其硅光子產(chǎn)品“100G PSM4”投入商用起,，截止目前,，英特爾已經(jīng)為客戶提供了超過(guò)400萬(wàn)個(gè)100G的硅光子產(chǎn)品。而在2020年的英特爾研究院開放日活動(dòng)上,，英特爾又提出了“集成光電”愿景,，即將光互連I/O直接集成到服務(wù)器和封裝中，對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行革新,，實(shí)現(xiàn)1000倍提升,，同時(shí)降低成本。

James Jaussi介紹了英特爾近期在集成光電五大“關(guān)鍵技術(shù)模塊”方面取得的重大創(chuàng)新,，包括：

• 微型環(huán)調(diào)制器(micro-ring modulators)：傳統(tǒng)的芯片調(diào)制器占用面積太大,，與IC封裝在一起時(shí)成本很高。英特爾開發(fā)的微型環(huán)調(diào)制器將調(diào)制器尺寸縮小了1000倍以上,，從而消除了將硅光子集成到計(jì)算封裝中的主要障礙。

• 全硅光電檢測(cè)器(all silicon photo detector)：數(shù)十年來(lái),，業(yè)界一直認(rèn)為硅材料沒有光檢測(cè)功能,，但英特爾展示的研究結(jié)果證明事實(shí)并非如此,。這一突破的一大好處就是讓成本更低。

• 集成半導(dǎo)體光學(xué)放大器：該設(shè)備通過(guò)使用與集成激光器相同的材料實(shí)現(xiàn),，有助于降低總功耗,。

• 集成多波長(zhǎng)激光器(Integrated multi-wavelength lasers)：使用一種稱為波分復(fù)用(wavelength division multiplexing)的技術(shù)，將來(lái)自同一激光的不同波長(zhǎng)用在同一光束中傳輸更多數(shù)據(jù),。這樣就能使用單根光纜來(lái)傳輸額外數(shù)據(jù),，從而增加了帶寬密度。

• 集成：使用先進(jìn)的封裝技術(shù)將硅光子與CMOS芯片緊密集成,，可實(shí)現(xiàn)三大優(yōu)勢(shì)：(1)更低的功耗,、(2)更高的帶寬和(3)更少的引腳數(shù)(pin count)。

我國(guó)目前在硅光領(lǐng)域開展布局的企業(yè)主要有華為,、光迅科技,、亨通光電、博創(chuàng)科技等,。根據(jù)賽迪研究院集成電路研究所光電研究室研究員馬曉凱在《硅光,，半導(dǎo)體的另一條賽道》一文中的介紹，2013年,，華為收購(gòu)比利時(shí)硅光子公司Caliopa,，并且在英國(guó)建立了光芯片工廠發(fā)展硅光技術(shù);2017年，亨通光電與英國(guó)的硅光子企業(yè)洛克利合作,，獲得多項(xiàng)硅光芯片技術(shù)許可,，2020年3月10日發(fā)布了400G硅光模塊;2018年光迅科技聯(lián)合國(guó)家信息光電子創(chuàng)新中心等單位聯(lián)合研制成功100G硅光收發(fā)芯片并正式投產(chǎn)使用，但是流片需要依靠國(guó)外;2020年博創(chuàng)科技與Sicoya公司合作,，推出了高性價(jià)比的400G數(shù)據(jù)通信硅光模塊解決方案,。

但他也在文中同時(shí)指出，我國(guó)硅光發(fā)展與發(fā)達(dá)國(guó)家仍存在差距,。例如,，在設(shè)計(jì)方面，架構(gòu)不夠完善,，體積和性能平衡的問題沒有妥善解決;在制備方面,，我國(guó)的硅光芯片大部分都需要國(guó)外代工，對(duì)外依賴度大;在封裝方面,，硅光器件之間的耦合以及大密度集成仍然存在問題;在測(cè)試方面,，高速儀器儀表還嚴(yán)重依賴國(guó)外，等等,。為此,，他提出三點(diǎn)建議：積極與下游廠商對(duì)接、增強(qiáng)企業(yè)垂直整合能力、做好長(zhǎng)期投入的準(zhǔn)備,，助力我國(guó)硅光產(chǎn)業(yè)發(fā)展,。