微纳制造十大应用 | 硅光芯片——春天已来

数据通信需求推动集成光子技术发展

2023年，大模型技术在全球科技界掀起了一场风暴，引发了科技巨头们的激烈角逐。根据IDC的预测，全球AI计算市场规模将从2022年的195亿美元急剧增长至2026年的346.6亿美元，其中生成式AI市场预计增至109.9亿美元。尤其在中国市场，人工智能市场规模预计将超264亿美元。

根据OpenAI发布的数据，自2012年以来人工智能训练任务中使用的算力呈指数级增长，其增长速度为每3.5个月翻一倍。截至目前人们对算力的需求已增长了超过30万倍，ChatGPT的火爆引发了市场对算力方面的新需求。大量数据需要被存储、传输和处理催生海量的服务器需求，加速服务器集群建设。大数据、云服务背景下的数据中心、超算中心建设热潮，电信网络基础设施建设促进全球数据中心流量以每年32%的速度飞速增长。

集成电路先进封装以及芯片制造工艺所带来的芯片性能提升将越来越难满足AI大模型对算力的需求。通信数据的快速增长对光电器件提出了更高的要求，推动着业界发展光子集成和光子芯片技术。

光子集成的概念类可以比于电子集成(集成电路技术)，其核心是将光学系统集成到一颗芯片上的技术体系。光子集成芯片可将光学系统的体积缩小上千倍、重量降低上千倍，被认为是未来信息产业发展的关键使能技术。目前主流的光子集成芯片可以根据其材料体系分为介质材料光子集成体系、三五族光子集成体系、硅光子集成体系、铌酸锂光子集成体系等。不同的材料体系各有其优缺点。

硅光芯片（硅光子集成）是一种基于硅晶圆开发出的光子集成芯片，它利用硅光材料和器件通过特殊工艺制造集成电路，具有集成度高、成本低、传输带宽高等特点。在尺寸、速率、功耗等方面具有独特优势，其工艺与硅基微电子芯片基础工艺兼容，可以与硅基微电子实现光电子3D集成芯片。当前AI技术的快速发展带来数据处理和传输需求增长，硅光芯片正是一种能实现高效、快速、低成本处理和传输大量数据的技术。

▲ 硅光芯片可通过硅晶圆技术实现高密度集成（来源：英特尔）

商业化进展

早在上世纪七十年代，就有科学家开始在硅基材料上研究光子学。在2000年左右，硅光子技术开始进入商业应用领域，随后在通信、计算等领域得到小范围的应用。此前，也有多家科技巨头曾研发过硅光芯片相关的产品，但大多数没有实现规模应用。

据了解，华为曾经投入大量资源研发硅光芯片，在2018年首次展示了硅光子芯片的样品，并申请了相关专利。然而，华为在硅光芯片领域的研发进展缓慢，并且最终没有实现大规模商业应用。

谷歌在2015年曾宣布成功研发出硅光芯片，并展示了其高速数据传输和处理的能力。然而，在随后的几年里，谷歌并未公开宣布任何关于硅光芯片技术的实质性进展。

据报道，2023年9月，台积电与博通、英伟达组建了一支由 200 名研发专家组成的新团队，共同开发硅光子技术、光学共封装等新产品，该技术适用于45nm到7nm的芯片制程，预计最快明年下半年迎来大单，并在2025年左右达到量产阶段。

就目前国内硅光产业发展来看，在政策的引导下，国内已经有一批科研院所、机构和企业在发展硅光芯片的设计、软件工具、制造，但在这些方面的发展大都处于实验室阶段，还未达到量产。

微纳制造平台助力硅光芯片产业化

硅光子技术前景广阔，预计将在关键的新兴应用中发挥关键作用，包括极高数据速率光通信、自动驾驶汽车距离感测、光子加速计算和量子信息处理。发达国家和科技巨头企业很早就重视硅光子技术的研发和产业化，尤其在欧洲，集成光子产业生态已经逐步发展成熟。

欧洲在促进光子集成方面的努力始于 2006 年 ePIXfab 的成立。该联盟的使命是依靠欧洲的专业知识开发光子集成电路制造的无晶圆厂样板，从而在欧洲打造集成光子学的未来。其想法是通过培训、路线图研究和减少技术获取障碍来宣传该领域的最新发展，从而促进光子产业的发展。在过去六年中，欧洲创建了四个试点项目，重点是在各种材料平台上扩大集成光子芯片的制造。

硅光芯片在一定程度上集成了传统芯片的工艺，但就现阶段而言，硅光芯片所需的制造工艺还远用不上硅基芯片的先进工艺，采用成熟工艺的硅光芯片无论是在提升性能方面还是成本方面都超越了采用同种工艺节点的硅基芯片的表现。这样整体算下来，投资一条硅光量产线要比硅基量产线的成本更低。据估算，投入15亿人民币可进入量产阶段，如果包括封装，25亿人民币左右即可建成一条硅光量产线。

硅光量产线的建成，也将同样利好于国内半导体产业链上其他厂商的成长。例如，国内的代工厂可以在现有成熟工艺的基础上，发展适合硅光的特色工艺，让国内代工厂和国内硅光芯片设计厂商在研发初期就产生紧密合作，带动硅光芯片代工厂的成长。另一方面，国内半导体设备也有机会打入“初长成”硅光芯片产业链，进而深入到半导体产业的发展。

主要参与者

全球硅光产业国外厂商占主导，国内起步较晚但潜力巨大。

由于仍属前沿技术，当前全球范围内专注且有出货硅光产品的企业不多，包括Mellanox、思科、Luxtera、意法半导体、Acacia与Molex等，绝大多数为在光通信和硅光领域有较长时间积累的海外巨头。在国内，越来越多的信息技术产业龙头公司正关注并布局硅光技术，其中华为十分积极活跃。同时近年不少中国硅光早期项目公司如熹联光芯、赛丽科技、芯速联光电等亦在快速崛起，以实现高速领域国产化硅光产品研发突破，并多能提供全系的高速光互联解决方案，中国硅光产业实力增长潜力巨大。

小结

国际半导体产业协会(SEMI)预测数据显示，2030年全球硅光子学半导体市场规模预计将达到78.6亿美元，预计复合年增长率将达到25.7%。

数据来源：SEMI

目前，整个IT产业正处在“从电到光”的转换过程，现在正是集成光路发展的最佳时间点。谁能率先在光芯片技术上实现突破，谁就能抢占光通信产业链的制高点。面对汹涌而至的新一轮科技革命和产业变革，光子也成为中国实现未来技术超越和产业变革的重要抓手。