來自未來的硅光芯片，在2023年又向前邁進了一步。自 2023 年初以來，圍繞硅光子學進行了大量炒作，并進行了大量投資，特別是光計算、光 I/O和各種傳感應用。

市場研究機構(gòu)Yole Intelligence表示，2022年，硅光芯片市場價值為6800萬美元，預計到2028年將超過6億美元，2022年—2028年的復合年均增長率為44%。推動這一增長的主要因素是用于高速數(shù)據(jù)中心互聯(lián)和對更高吞吐量及更低延遲需求的機器學習的800G可插拔光模塊。

硅光為何“令人相信”？

用CMOS技術（也就是硅光子學）制造光子電路不僅提供了半導體晶圓級制造的規(guī)模，還利用光在計算、通信、傳感和成像方面的特性在新電子應用中發(fā)揮了優(yōu)勢。

由于這些原因，硅光子學越來越多地應用于光學數(shù)據(jù)通信、傳感、生物醫(yī)學、汽車、虛擬現(xiàn)實和人工智能 (AI) 應用。直到最近，硅光子學的主要挑戰(zhàn)一直是添加作為光子電路“電源”的分立激光器的成本，其中包括制造以及這些激光器在光子芯片上的組裝。

光可以表現(xiàn)得像波或粒子，并且這種行為是可以操縱的。“光學”一詞是指對光的研究，通常用于談論人眼可見的光（例如，頭燈發(fā)出的光、放大鏡等透鏡反射的光等）?！肮庾訉W”一詞是指以小得多的尺度（小于幾微米）反射或操縱光的系統(tǒng)。集成光子學是指使用半導體技術和在潔凈室設施中處理的晶圓來制造光子系統(tǒng)。如果所使用的制造工藝非常類似于CMOS制造，那么它就被稱為硅光子學。

換句話說，硅光子學是一個材料平臺，可以使用絕緣體上硅（SOI）晶圓作為半導體襯底材料來制造光子集成電路（PIC）。這項技術變得比以往任何時候都更加流行和可行，這是有一個重要原因的。

最初，集成光子學開始使用摻雜石英玻璃、鈮酸鋰或磷化銦等材料作為材料表面，特別是對于電信和長途數(shù)據(jù)通信應用。然而，絕大多數(shù)半導體行業(yè)使用硅作為主要材料來創(chuàng)建集成CMOS電路，實現(xiàn)了非常高的產(chǎn)量和低成本。光子學的物理特性使其非常適合使用舊硅節(jié)點上使用的CMOS工藝來圖案化和制造光子器件和電路。使用成熟的制造工藝為大規(guī)模生產(chǎn)開辟了一條經(jīng)濟可行的道路，因此，集成硅光子學已經(jīng)起飛。

如今，硅光子學已經(jīng)利用成熟的CMOS制造和設計生態(tài)系統(tǒng)來開始構(gòu)建集成光子系統(tǒng)，該生態(tài)系統(tǒng)已被證明在規(guī)模化方面非常具有成本效益。


硅光計算芯片是AI芯片國產(chǎn)化和彎道超車的有效途徑

當前，大模型訓練和推理的硬件以通用圖形處理單元（GPU）為主，2022年全球GPU市場規(guī)模達到448.3億美元，美國AI芯片巨頭英偉達公司占有80%的市場份額并仍在持續(xù)攀升。目前，中國仍以英偉達的產(chǎn)品作為主流算力平臺，只有較小規(guī)模的算力來自國產(chǎn)神經(jīng)網(wǎng)絡加速平臺。英偉達向我國提供的AI芯片是傳輸帶寬受限的特別版本，使用該版本GPU組成的超算集群的訓練和推理效率均落后于國外同期產(chǎn)品。因此，算力基建亟需向自主可控的國產(chǎn)化邁進。

寒武紀、燧原科技、壁仞科技和昆侖芯等國產(chǎn)AI芯片廠商，均提供了深度學習訓練和推理的專用芯片，其主要使用專用集成電路（ASIC）硬件架構(gòu)，用于特定算法或應用場景的優(yōu)化，計算能力在特定情況下優(yōu)于英偉達產(chǎn)品，但通用性、靈活性有待提升。基于電子計算的AI芯片的國產(chǎn)化之路受技術封鎖影響仍需突破重重阻礙，尤其是受限于先進工藝制程，國產(chǎn)同類芯片在能耗、算力、帶寬等方面難以在短期內(nèi)趕超。此外，電子計算技術還存在固有的計算延時高和內(nèi)存墻等問題。

光子器件具有高速、大帶寬和低功耗的特點，在信息傳輸和處理方面具有重要優(yōu)勢，而且光信號可以在光子器件中并行傳輸和處理。這使得光子計算可以更好地實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的高效處理，也可以避免電子信號傳輸帶來的噪聲和時延等問題，更好地實現(xiàn)高帶寬的傳輸互連，從而為大模型提供關鍵支撐。此外，與最先進的電子神經(jīng)網(wǎng)絡架構(gòu)及數(shù)字電子系統(tǒng)相比，光子計算架構(gòu)在速度和能效上優(yōu)勢突出。因此，光子計算能夠有效突破傳統(tǒng)電子器件的性能瓶頸，滿足高速、低功耗通信和計算的需求。需要指出的是，光子計算的發(fā)展目標不是要取代傳統(tǒng)計算機，而是要輔助已有計算技術在基礎物理研究、非線性規(guī)劃、機器學習加速和智能信號處理等應用場景更高效地實現(xiàn)低延遲、大帶寬和低能耗。

硅光計算芯片通過在單個芯片上集成多種光子器件實現(xiàn)了更高的集成度，還能兼容現(xiàn)有半導體制造工藝，降低成本。光子計算芯片包括激光器、光波導、光調(diào)制器、光探測器等主要元件，運行過程大致如圖1所示：激光器產(chǎn)生的光，經(jīng)過光波導傳輸?shù)焦庹{(diào)制器實現(xiàn)對光信號的控制和處理，最后傳輸?shù)焦馓綔y器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再進行后續(xù)的處理和輸出。

光子計算芯片利用成熟的硅基工藝平臺（產(chǎn)業(yè)界通常為45——180nm制程），有望在短期內(nèi)實現(xiàn)低功耗、高性能的計算系統(tǒng)，解決后摩爾時代AI硬件的性能需求，突破馮·諾依曼架構(gòu)的速度和功耗瓶頸。因此，硅光計算芯片是實現(xiàn)AI芯片國產(chǎn)化和彎道超車的有效途徑。


芯片巨頭紛紛布局

“硅光芯片并非取代傳統(tǒng)的集成電路技術，而是在后摩爾時代，幫助集成電路擴充其技術功能。此外，由于硅光芯片是基于硅晶圓開發(fā)出的光子集成芯片，因此硅光芯片所需的制造設備和技術與傳統(tǒng)集成電路基本一致，技術遷移成本較低，這也成為了硅光芯片得天獨厚的優(yōu)勢?！崩钪救A說。

基于此，硅光芯片也有了更多的市場需求。國際半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(SEMI)預測數(shù)據(jù)顯示，2030年全球硅光子學半導體市場規(guī)模預計將達到78.6億美元，預計復合年增長率將達到25.7%。

與此同時，硅光芯片也成為全球芯片巨頭競爭的另一關鍵賽道。

臺積電此前在硅光芯片領域主推名為COUPE（緊湊型通用光子引擎）的封裝技術，其最大的特點是可以降低功耗、提升帶寬。有消息稱，臺積電計劃將該技術用于與英偉達的合作項目中，嘗試用該技術將多個英偉達GPU進行組合。此外，若此次臺積電能如愿與博通、英偉達等大客戶共同開發(fā)硅光芯片技術，也將會集合各方的技術優(yōu)勢和資源，推動硅光芯片的大規(guī)模量產(chǎn)。

另一芯片巨頭英特爾也致力于發(fā)展硅光芯片技術。例如，英特爾提出的光電共封裝解決方案使用了密集波分復用（DWDM）技術，能夠在增加光子芯片帶寬的同時縮小尺寸。英特爾還提出可插拔式光電共封裝方案，該方案是利用光互連技術，讓芯片間的帶寬達到更高水平。同時，英特爾還在研發(fā)八波長分布式反饋激光器陣列，以提升大型CMOS晶圓廠激光器制造能力，實現(xiàn)光互連芯粒技術。


國內(nèi)專業(yè)“光芯片”主要廠商

源杰科技：IDM全流程業(yè)務體系

源杰科技公司成立于2013年，是國內(nèi)少數(shù)幾家具備芯片設計、晶圓制造、芯片加工和測試的IDM全流程業(yè)務體系的光芯片公司。目前公司已完成了激光器芯片技術的開發(fā)，并在面對下一代光通信方案中的硅光子集成技術方面取得重要進展。公司主要產(chǎn)品包括2.5G、10G以及25G激光器芯片，廣泛應用于光纖到戶、數(shù)據(jù)中心與云計算、5G移動通信網(wǎng)絡等。

根據(jù)C&C統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2020年，在國內(nèi)磷化銦（InP）半導體激光器芯片產(chǎn)品對外銷售的廠商中，源杰科技收入排名第一，其10G和25G激光器芯片系列產(chǎn)品的出貨量在國內(nèi)同行業(yè)公司中均排名第一；其中，10G DFB產(chǎn)品在全球的出貨量同樣排名第一，約占20%，超過了住友電工和三菱電機；而25G DFB產(chǎn)品源杰科技已經(jīng)實現(xiàn)了突破，在5G基站前傳和數(shù)通市場方面已經(jīng)開始批量出貨。

目前，源杰科技已經(jīng)開始大規(guī)模供應主流光模塊廠商，并將產(chǎn)品提供給國內(nèi)外知名通信設備商，包括中國移動、中國聯(lián)通、中國電信和AT&T等運營商。源杰科技已成為國內(nèi)領先的光芯片供應商。并且公司在25G以上高速光芯片、EML產(chǎn)品以及硅光、激光雷達等新技術/新領域布局超前，未來有望進一步打開市場空間。


中科光芯：全生產(chǎn)鏈自主生產(chǎn)

福建中科光芯成立于2011年，是目前國內(nèi)唯一一家能夠全生產(chǎn)鏈自主生產(chǎn)光芯片的公司。公司擁有外延生長、芯片微納加工及器件封裝產(chǎn)業(yè)線，產(chǎn)品線包括外延片、芯片、TO器件、光器件和光模塊等，是一家能夠獨立設計并量產(chǎn)光芯片和器件的企業(yè)。

中科光芯產(chǎn)品主要包括FP、DFB、PIN、APD、SLED等類型的芯片和器件。這些產(chǎn)品已經(jīng)打破了國外的壟斷，廣泛應用于高清視頻、數(shù)據(jù)通信、光纖通道、以太網(wǎng)FTTH、SDH/SONET、高速率光通信存儲、傳感與檢測以及其他光纖信息傳輸領域。

截至目前，中科光芯擁有130多項知識產(chǎn)權(quán)專利，其中包括42項發(fā)明專利，已成功推出了2.5G、10G、25G等速率的光芯片，并廣泛應用于光通信和光電傳感領域。公司與華為、中興通訊等國內(nèi)一線通信廠商展開合作，并累計向市場交付了2.5億顆光芯片。為了進一步提升企業(yè)的研發(fā)能力，中科光芯于今年初在石獅啟動了一項價值1億元的研發(fā)中心項目，重點致力于5G和數(shù)據(jù)通信前沿核心光電子領域的技術攻關。


武漢敏芯：首家獨立全系列光芯片

武漢敏芯半導體公司成立于2017年，是國內(nèi)光通信領域首家獨立的全系列光芯片供應商。公司具備芯片設計、晶圓制造工藝、封裝測試等全產(chǎn)業(yè)鏈能力，并將產(chǎn)品應用于集成電路產(chǎn)業(yè)鏈、5G新一代信息技術和關鍵網(wǎng)絡設備等重要領域。2018年10月，敏芯半導體成功投產(chǎn)并推出了首款2.5G激光器芯片。到2021年，短短的4年時間里，敏芯半導體迅速發(fā)展壯大，成為國內(nèi)光通信芯片領域的代表性企業(yè)之一。成功入圍了國家工信部發(fā)布的第二批建議支持的國家級專精特新“小巨人”企業(yè)名單。

目前，敏芯半導體可以量產(chǎn)2.5G、10G、25G和50G全系列激光器和探測器光芯片以及封裝類產(chǎn)品。近年來，敏芯公司持續(xù)投入技術開發(fā)，其研發(fā)費用占營業(yè)收入比重超過30%。公司擁有高速DFB激光器外延結(jié)構(gòu)設計、芯片光柵結(jié)構(gòu)設計等多項核心技術，并獲得了49項自主知識產(chǎn)權(quán)，其中包括39項發(fā)明專利。

除了以上3家專業(yè)光芯片企業(yè)之外，在專業(yè)光芯片領域，光安倫、云嶺光電、仕佳光子等都有著不錯表現(xiàn)。而綜合光芯片模塊也有光迅科技、海信寬帶、華為海思等。