硅光市場的玩家們有哪些 硅光子為什么引人關注？

盡管日前思科以26億美元收購硅光子公司Acacia一案再生變數，且雙方爭執(zhí)的理由居然是“是否在合并協(xié)議規(guī)定的期限內獲得中國國家市場監(jiān)督管理總局(SAMR)的批準”，但不可否認的是，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)數個“顛覆式創(chuàng)新”中的重要方向之一。

硅光子為什么引人關注？

要回答這個問題，就要先從光子集成電路技術(PIC，Photonic Integrated Circuit)談起。與我們熟知的基于硅材料的集成電路技術類似，PIC技術的核心，也是希望通過將很多的光學元器件集成在一個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，昂貴的價格嚴重制約了它們的商業(yè)化進程。考慮到光信號在被氧化硅包裹的硅中傳播時幾乎不會發(fā)生衰減，而且硅材料本身價格低廉且在半導體工藝中已實現(xiàn)成熟應用，于是半導體巨頭紛紛把目光轉向硅光子，探討光子和電子結合的可能性，硅光子(Silicon Photonics)技術應運而生。

所謂的硅光子技術，就是在硅基上同時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、探測器、光開關、光調制器等)、光波導回路集成在同一硅片或SoC上。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在相干調制以及合分波器件的高度集成化，加上完善的溫控設計，可以大幅解決相干產品的缺陷和成本，進而下沉到核心與匯聚層。

這樣，當面對400G+網絡速率傳輸時，光學連接便可以開始進入新的階段，可插拔光學收發(fā)器將有望被取代。在新技術中，光子鏈路連接到同一封裝中的高性能IC，同時借助外部激光器提供光源。該封裝通過光纖連接到另一個采用光子鏈路的模塊，從而形成封裝到封裝高速互連，同時大幅降低功耗。

但很顯然，將電子接口、數字電路和高速模擬混合信號電路與光學元件組合在同一硅片上，并不是一件容易的事情。用格芯(GLOBALFOUNDRIES)硅光產品線副總裁Anthony Yu的話來說，就是“將其全部集成到硅中，然后便可充分利用硅制造技術的規(guī)模、成本和工藝控制優(yōu)勢，這樣的道理誰都明白，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。”

光進，銅退

根據Yole的預測，硅光光模塊市場將從2018年的約4.55億美元(相當于130萬個)增長到2024年的約40億美元(相當于2350萬個)，復合年增長率達44.5%。而LightCouting的數據顯示，2022年，硅光子技術將在每秒峰值速度、能耗、成本方面全面超越傳統(tǒng)光模塊預測。而到2024年，硅光光模塊市場市值將達65億美金，占比高達60%，而在2020年，這一數字僅為3.3%。

2017-2023年全球光模塊市場規(guī)模及結構預測(資料來源：Lightcounting)

盡管目前壟斷高速數據傳輸市場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據傳輸、高帶寬以及低功耗等前景優(yōu)勢，當今的高性能計算、電信、軍事、國防、航空航天、醫(yī)療和研究應用對其青睞有加，2021年有望成為硅光模塊加速出貨的第一年，市場正式啟動。

2020-2025年硅光核心應用市場(圖片來源：格芯)

高性能計算

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

打一個更形象的比喻，由于硅光的傳輸距離和數據傳輸速率是銅纜的6500倍和8倍以上，因此在400Gbps的傳輸速率下，硅光可支持長達32,808英尺(約10公里)的傳輸距離，超過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”，英特爾首席工程師、英特爾研究院PHY研究實驗室主任James Jaussi表示，之所以現(xiàn)在需要遷移到光互連I/O，主要有兩個原因，一個是業(yè)界正在快速接近電氣性能的物理極限，一個是I/O功耗墻，會導致無法計算。

5G核心骨干網

5G時代，網絡端口接口速率全面提升，例如接入層接口速率已經從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，對確保實現(xiàn)高速度大容量的數據傳輸至關重要。

超大型數據中心

根據Equnix預測，2017年-2021年全球互聯(lián)網帶寬容量以48%的年復合增長率增長，2020年將正式進入400G時代，并有望于2022年進入800G時代。格芯方面提供的數據顯示，到2024年，由于CAGR高達44.5%，硅光收發(fā)器(包括基于III-V化合物半導體和硅光的模組)將占40億美元市場的大部分，硅光子技術對于提高網絡設備的密度和能效具有至關重要的作用。

另一方面，高昂的成本也迫使產業(yè)界通過技術升級降低光模塊的單價。以一個擁有超過10萬臺服務器和5萬多個交換機的數據中心為例，它們之間的連接需要超100萬個光模塊，花費在1.5億美元至2.5億美元之間，占據數據中心網絡成本的60%，超過交換機、NIC和電纜等設備的總和。而硅光模塊雖然當前工藝難度大，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)模量產情況下更具成本優(yōu)勢。

硅光市場的玩家們

硅光光模塊與傳統(tǒng)光模塊產業(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)芯片的設計方面走的較為靠前。

近十年硅光產業(yè)主要收購情況(數據來源：賽迪智庫集成電路研究所，2020年3月)

Anthony Yu最近分享了一些關于格芯硅光業(yè)務的最新情況。他表示，格芯一直都在用其90nm平臺來滿足數據中心市場的需求，但未來的目標將是以TB/s級速率實現(xiàn)芯片到芯片互連，而“0.5Tbps/光纖這一行業(yè)最高單位光纖數據傳輸速率”和300mm晶圓量產優(yōu)勢，將是幫助格芯在硅光子市場“摧城拔寨”的兩把利器。

作為業(yè)內為數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)務的時間最早要追溯到2015年對IBM微電子業(yè)務的收購。之后，從2018年宣布基于90nm RF SOI工藝構建硅光平臺90WG，到即將于2021年下半年完成生產工藝認證的45SPCLO單芯片技術，并通過與Ayar Labs和MACOM等公司富有成效的合作，格芯已悄然成為硅光領域一股不可忽視的力量。

除了高速數據傳輸外，硅光子技術在AI計算領域的應用同樣引人注目。在2020年舉行的Hot Chips 32大會上，初創(chuàng)公司Lightmatter就展示了用于通用人工智能加速的光子計算測試芯片。該芯片面積為150平方毫米，包含超過十億個FinFET晶體管、數萬個光子算數單元和數百個記錄設置數據轉換器。其中，數字電路部分采用格芯12nm Leading-Performance FinFET工藝制造，運用Arm 3D網狀互連技術，核心間數據通路更為直接，可降低延遲；光子芯片使用格芯90nm標準硅光子工藝實現(xiàn)，可以實現(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工藝的數字芯片來說毫不遜色，展示了光計算未來的巨大潛力。

Lightmatter用于通用人工智能加速的光子計算測試芯片

再來看一下另一重量級玩家英特爾的最新進展。從2016年英特爾將其硅光子產品“100G PSM4”投入商用起，截止目前，英特爾已經為客戶提供了超過400萬個100G的硅光子產品。而在2020年的英特爾研究院開放日活動上，英特爾又提出了“集成光電”愿景，即將光互連I/O直接集成到服務器和封裝中，對數據中心進行革新，實現(xiàn)1000倍提升，同時降低成本。

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

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

全硅光電檢測器(all silicon photo detector)：數十年來，業(yè)界一直認為硅材料沒有光檢測功能，但英特爾展示的研究結果證明事實并非如此。這一突破的一大好處就是讓成本更低。

集成半導體光學放大器：該設備通過使用與集成激光器相同的材料實現(xiàn)，有助于降低總功耗。

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

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

我國目前在硅光領域開展布局的企業(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，半導體的另一條賽道》一文中的介紹，2013年，華為收購比利時硅光子公司Caliopa，并且在英國建立了光芯片工廠發(fā)展硅光技術；2017年，亨通光電與英國的硅光子企業(yè)洛克利合作，獲得多項硅光芯片技術許可，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)芯片并正式投產使用，但是流片需要依靠國外；2020年博創(chuàng)科技與Sicoya公司合作，推出了高性價比的400G數據通信硅光模塊解決方案。

但他也在文中同時指出，我國硅光發(fā)展與發(fā)達國家仍存在差距。例如，在設計方面，架構不夠完善，體積和性能平衡的問題沒有妥善解決；在制備方面，我國的硅光芯片大部分都需要國外代工，對外依賴度大；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；在測試方面，高速儀器儀表還嚴重依賴國外，等等。為此，他提出三點建議：積極與下游廠商對接、增強企業(yè)垂直整合能力、做好長期投入的準備，助力我國硅光產業(yè)發(fā)展。
編輯：hfy